JP7219285B2 - In-plane magnetic film, multilayer structure of in-plane magnetic film, hard bias layer, magnetoresistive element, and sputtering target - Google Patents
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Description
本発明は、面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲットに関し、詳細には、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、基板を加熱して行う成膜(以下、加熱成膜と記すことがある。)を行わずに実現することができるCoPt-酸化物系の面内磁化膜、CoPt-酸化物系の面内磁化膜多層構造およびハードバイアス層に関するとともに、前記CoPt-酸化物系の面内磁化膜、前記CoPt-酸化物系の面内磁化膜多層構造または前記ハードバイアス層に関連する、磁気抵抗効果素子およびスパッタリングターゲットに関する。前記CoPt-酸化物系の面内磁化膜および前記CoPt-酸化物系の面内磁化膜多層構造は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層に用いることができる。The present invention relates to an in-plane magnetized film, an in-plane magnetized film multilayer structure, a hard bias layer, a magnetoresistive effect element, and a sputtering target, and more specifically, to a coercive force Hc of 2.00 kOe or more and a CoPt that can realize the magnetic performance of remanent magnetization Mrt of 2.00 memu/cm 2 or more without performing film formation by heating the substrate (hereinafter sometimes referred to as thermal film formation). - In-plane magnetization film of oxide system, CoPt-oxide system in-plane magnetization film multilayer structure and hard bias layer, and said CoPt-oxide system in-plane magnetization film, said CoPt-oxide system in-plane magnetization film The present invention relates to a magnetoresistive element and a sputtering target related to a magnetic film multilayer structure or the hard bias layer. The CoPt-oxide-based in-plane magnetization film and the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film multilayer structure can be used for a hard bias layer of a magnetoresistive effect element.
保磁力Hcが2.00kOe以上であり、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるハードバイアス層であれば、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層と比べて同等程度以上の保磁力および残留磁化を有していると考えられる。なお、本願において、ハードバイアス層とは、磁気抵抗効果を発揮する磁性層(以下、フリー磁性層と記すことがある。)にバイアス磁界を加える薄膜磁石のことである。If the hard bias layer has a coercive force Hc of 2.00 kOe or more and a residual magnetization Mrt per unit area of 2.00 memu/cm 2 or more, compared with the hard bias layer of the current magnetoresistive effect element, It is considered that they have coercive force and remanent magnetization of equal or higher degree. In the present application, the hard bias layer is a thin film magnet that applies a bias magnetic field to a magnetic layer exhibiting a magnetoresistive effect (hereinafter sometimes referred to as a free magnetic layer).
現在多くの分野で磁気センサが用いられているが、汎用的に用いられている磁気センサの1つに磁気抵抗効果素子がある。 Magnetic sensors are currently used in many fields, and one of the widely used magnetic sensors is a magnetoresistive element.
磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果を発揮する磁性層(フリー磁性層)と、該磁性層(フリー磁性層)にバイアス磁界を加えるハードバイアス層と、を有してなり、ハードバイアス層には、所定以上の大きさの磁界を安定的にフリー磁性層に印加できることが求められている。 A magnetoresistive element has a magnetic layer (free magnetic layer) that exerts a magnetoresistive effect, and a hard bias layer that applies a bias magnetic field to the magnetic layer (free magnetic layer). It is required that a magnetic field of a predetermined magnitude or more can be stably applied to the free magnetic layer.
したがって、ハードバイアス層には、高い保磁力および残留磁化が求められる。 Therefore, the hard bias layer is required to have high coercive force and high residual magnetization.
しかしながら、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の保磁力は、2kOe程度であり(例えば、特許文献1の図7)、これ以上の保磁力の実現が望まれている。 However, the coercive force of the hard bias layer of the current magnetoresistive effect element is about 2 kOe (for example, FIG. 7 of Patent Document 1), and realization of a higher coercive force is desired.
また、単位面積当たりの残留磁化は、2memu/cm2程度以上であることが望まれている(例えば、特許文献2の段落0007)。Further, it is desired that the residual magnetization per unit area is approximately 2 memu/cm 2 or more (eg, paragraph 0007 of Patent Document 2).
これらに対応できる可能性のある技術として、例えば特許文献3に記載の技術がある。特許文献3に記載の技術は、センサ積層体(フリー磁性層を備えた積層体)とハードバイアス層との間に設けたシード層(Ta層と、そのTa層の上に形成され、面心立方(111)結晶構造または六方最密(001)結晶構造を有する金属層とを含む複合シード層)により、長手方向に容易軸を向かせるように磁性材料を配向させ、ハードバイアス層の保磁力の向上を試みた手法である。しかしながら、ハードバイアス層に望まれる前記磁気特性を満たしていない。また、この手法では、保磁力向上のため、センサ積層体とハードバイアス層との間に設けたシード層を厚くする必要がある。このため、センサ積層体中のフリー磁性層への印加磁場が弱くなるという問題も抱える構造である。 As a technique that may be able to cope with these, there is a technique described in Patent Document 3, for example. The technique described in Patent Document 3 is a seed layer (Ta layer) provided between a sensor laminate (laminate having a free magnetic layer) and a hard bias layer, and a face-centered Ta layer formed on the Ta layer. A composite seed layer (including a metal layer having a cubic (111) crystal structure or a hexagonal close-packed (001) crystal structure) orients the magnetic material so that the easy axis is oriented in the longitudinal direction, thereby increasing the coercivity of the hard bias layer. This is a method that attempts to improve However, it does not satisfy the magnetic properties desired for the hard bias layer. Also, in this method, it is necessary to increase the thickness of the seed layer provided between the sensor laminate and the hard bias layer in order to improve the coercive force. Therefore, the structure also has a problem that the applied magnetic field to the free magnetic layer in the sensor laminate is weakened.
また、特許文献4には、ハードバイアス層に用いる磁性材にFePtを用いることや、Pt又はFeシード層を有するFePtハードバイアス層、及びPt又はFeのキャッピング層が記載されており、この特許文献4では、焼なまし温度が約250~350℃である焼なましの間に、シード層及びキャッピング層内のPt又はFe、ならびにハードバイアス層内のFePtが互いに混ざり合う構造が提案されている。しかしながら、このハードバイアス層の形成に必要な加熱工程においては、既に積層されている他の膜への影響を考慮する必要があり、この加熱工程は可能な限り避けるべき工程である。 Further, Patent Document 4 describes the use of FePt as a magnetic material for the hard bias layer, the FePt hard bias layer having a Pt or Fe seed layer, and the Pt or Fe capping layer. 4 proposes a structure in which the Pt or Fe in the seed and capping layers and the FePt in the hard bias layer intermingle during annealing, where the annealing temperature is about 250-350°C. . However, in the heating process required for forming this hard bias layer, it is necessary to consider the influence on other films already laminated, and this heating process should be avoided as much as possible.
特許文献5では、焼なまし温度の最適化が行われて、焼なまし温度を200℃程度まで下げることが可能であることが示され、ハードバイアス層の保磁力が3.5kOe以上であることが示されているが、単位面積当たりの残留磁化は1.2memu/cm2程度であり、ハードバイアス層に望まれている前記磁気特性を満たしていない。In Patent Document 5, the annealing temperature is optimized, it is shown that the annealing temperature can be lowered to about 200° C., and the coercive force of the hard bias layer is 3.5 kOe or more. However, the residual magnetization per unit area is about 1.2 memu/cm 2 , which does not satisfy the magnetic properties desired for the hard bias layer.
なお、特許文献6には、長手記録用磁気記録媒体が記載されており、その磁性層は、六方最密充填構造を有する強磁性結晶粒と、それを取り巻く主に酸化物からなる非磁性粒界とからなるグラニュラ構造であるが、このようなグラニュラ構造が磁気抵抗効果素子のハードバイアス層へ用いられた事例は無い。また、特許文献6に記載の技術は、磁気記録媒体の課題である信号対雑音比の低減を目的としており、磁性層の層間に非磁性層を用いて磁性層を多層化させているが、その上下の磁性層同士は反強磁性結合を有しており、磁性層の保持力の向上には適さない構造となっている。 Patent Document 6 describes a magnetic recording medium for longitudinal recording, in which the magnetic layer includes ferromagnetic crystal grains having a hexagonal close-packed structure and non-magnetic grains mainly composed of oxide surrounding them. However, there is no example of using such a granular structure for the hard bias layer of a magnetoresistive effect element. The technique described in Patent Document 6 aims at reducing the signal-to-noise ratio, which is a problem of magnetic recording media, and multi-layers magnetic layers by using non-magnetic layers between magnetic layers. The upper and lower magnetic layers have antiferromagnetic coupling, and the structure is not suitable for improving the coercive force of the magnetic layers.
実際の磁気抵抗効果素子への適用を視野に入れた場合、センサ積層体(フリー磁性層を備えた積層体)およびハードバイアス層は、できるだけ薄くすることが好ましく、また、加熱成膜は行わないことが好ましい。 When considering application to an actual magnetoresistive effect element, it is preferable to make the sensor laminate (laminate including the free magnetic layer) and the hard bias layer as thin as possible, and do not perform thermal film formation. is preferred.
この条件を満たした上で、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の保磁力(2kOe程度)および単位面積当たりの残留磁化(2memu/cm2程度)を上回るハードバイアス層を得るためには、現状のハードバイアス層に用いられている元素や化合物とは異なる元素や化合物を探索していく必要があると本発明者は考え、また、酸化物をCoPt系の面内磁化膜に適用することが有望であるのではないかと本発明者は考えた。また、酸化物を適用したCoPt系の面内磁化膜を非磁性中間層を用いて多層化することも有望であるのではないかと本発明者は考えた。In order to obtain a hard bias layer that exceeds the coercive force (approximately 2 kOe) and residual magnetization per unit area (approximately 2 memu/cm 2 ) of the hard bias layer of the current magnetoresistive effect element while satisfying this condition, The present inventor believes that it is necessary to search for elements and compounds that are different from the elements and compounds that are currently used in hard bias layers. The present inventor thought that it was promising. The present inventor also thought that it would be promising to multilayer the CoPt-based in-plane magnetization film using an oxide using a non-magnetic intermediate layer.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、加熱成膜を行わずに達成することができる面内磁化膜、面内磁化膜多層構造およびハードバイアス層を提供することを課題とし、併せて、前記面内磁化膜、前記面内磁化膜多層構造または前記ハードバイアス層に関連する、磁気抵抗効果素子およびスパッタリングターゲットを提供することも補足的な課題とする。The present invention has been made in view of this point, and the magnetic performance that the coercive force Hc is 2.00 kOe or more and the remanent magnetization Mrt per unit area is 2.00 memu/cm 2 or more is An object of the present invention is to provide an in-plane magnetization film, an in-plane magnetization film multilayer structure, and a hard bias layer that can be achieved without thermal film formation, and the in-plane magnetization film and the in-plane magnetization film multilayer structure. A complementary object is to provide a magnetoresistive element and a sputtering target associated with the structure or said hard bias layer.
本発明は、以下の面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲットにより、前記課題を解決したものである。 The present invention solves the above problems by the following in-plane magnetization film, in-plane magnetization multilayer structure, hard bias layer, magnetoresistive element, and sputtering target.
即ち、本発明に係る面内磁化膜は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜であって、金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Coを55at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く45at%以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を10vol%以上42vol%以下含有し、厚さが20nm以上80nm以下であることを特徴とする面内磁化膜である。 That is, the in-plane magnetization film according to the present invention is an in-plane magnetization film used as a hard bias layer of a magnetoresistive effect element, containing metal Co, metal Pt and an oxide. 55 at % or more and less than 95 at % of metal Co, more than 5 at % and 45 at % or less of metal Pt, and 10 vol % of the oxide with respect to the entire in-plane magnetization film. 42 vol % or less, and a thickness of 20 nm or more and 80 nm or less.
本願において、ハードバイアス層とは、磁気抵抗効果を発揮するフリー磁性層にバイアス磁界を加える薄膜磁石のことである。 In the present application, a hard bias layer is a thin film magnet that applies a bias magnetic field to a free magnetic layer exhibiting a magnetoresistive effect.
また、本願において、面内磁化膜の「単位面積あたりの残留磁化」とは、当該面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化に、当該面内磁化膜の厚さを乗じた値のことである。 Further, in the present application, "residual magnetization per unit area" of the in-plane magnetization film is a value obtained by multiplying the remanent magnetization per unit volume of the in-plane magnetization film by the thickness of the in-plane magnetization film. be.
前記面内磁化膜は、CoPt合金結晶粒と前記酸化物の結晶粒界とからなるグラニュラ構造を有してなるように構成してもよい。 The in-plane magnetization film may have a granular structure composed of CoPt alloy crystal grains and crystal grain boundaries of the oxide.
ここで、結晶粒界とは、結晶粒の境界のことである。 Here, the grain boundary is a boundary between crystal grains.
前記酸化物は、Ti、Si、W、B、Mo、Ta、Nbの酸化物のうちの少なくとも1種を含むものを用いてもよい。 The oxide may contain at least one of oxides of Ti, Si, W, B, Mo, Ta, and Nb.
本発明に係る面内磁化膜多層構造の第1の態様は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜多層構造であって、複数の面内磁化膜と、非磁性中間層と、を有してなり、前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、前記面内磁化膜は、金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Coを55at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く45at%以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を10vol%以上42vol%以下含有しており、前記面内磁化膜多層構造は、保磁力が2.00kOe以上であり、かつ、単位面積当たりの残留磁化が2.00memu/cm2以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造である。A first aspect of the in-plane magnetization film multilayer structure according to the present invention is an in-plane magnetization film multilayer structure used as a hard bias layer of a magnetoresistive effect element, comprising a plurality of in-plane magnetization films and a non-magnetic intermediate layer. and wherein the non-magnetic intermediate layer is arranged between the in-plane magnetized films, and the in-plane magnetized films adjacent to each other with the non-magnetic intermediate layer interposed therebetween are ferromagnetic. The in-plane magnetization film contains metal Co, metal Pt, and an oxide, and the content of metal Co is 55 at % or more and less than 95 at % with respect to the total metal components of the in-plane magnetization film. contains more than 5 at % and 45 at % or less of metal Pt, and contains 10 vol % or more and 42 vol % or less of the oxide with respect to the entire in-plane magnetization film, and the in-plane magnetization film multilayer structure is The in-plane magnetic film multilayer structure is characterized by having a coercive force of 2.00 kOe or more and a residual magnetization of 2.00 memu/cm 2 or more per unit area.
ここで、本願において、非磁性中間層とは、面内磁化膜同士の間に配置される非磁性層のことである。 Here, in the present application, a non-magnetic intermediate layer is a non-magnetic layer arranged between in-plane magnetic films.
また、本願において、強磁性結合とは、非磁性中間層を挟んで隣り合う磁性層(ここでは、前記面内磁化膜)のスピンが平行(同じ向き)になっているときに働く交換相互作用に基づく結合のことである。 In the present application, ferromagnetic coupling means an exchange interaction that works when the spins of adjacent magnetic layers (here, the in-plane magnetized films) with a non-magnetic intermediate layer interposed therebetween are parallel (in the same direction). It is a combination based on
また、本願において、面内磁化膜多層構造の「単位面積あたりの残留磁化」とは、当該面内磁化膜多層構造に含まれる面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化に、当該面内磁化膜多層構造に含まれる面内磁化膜の厚さの合計の値を乗じた値のことである。 In addition, in the present application, "residual magnetization per unit area" of the in-plane magnetization film multilayer structure means that the remanent magnetization per unit volume of the in-plane magnetization film included in the in-plane magnetization film multilayer structure It is a value obtained by multiplying the total thickness of the in-plane magnetization films included in the film multilayer structure.
本発明に係る面内磁化膜多層構造の第2の態様は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜多層構造であって、複数の面内磁化膜と、結晶構造が六方最密充填構造である非磁性中間層と、を有してなり、前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、前記面内磁化膜は、金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Coを55at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く45at%以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を10vol%以上42vol%以下含有してなり、前記複数の面内磁化膜の合計の厚さは20nm以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造である。 A second aspect of the in-plane magnetization film multilayer structure according to the present invention is an in-plane magnetization film multilayer structure used as a hard bias layer of a magnetoresistive effect element, comprising a plurality of in-plane magnetization films and a hexagonal crystal structure. and a non-magnetic intermediate layer having a close-packed structure, wherein the non-magnetic intermediate layer is arranged between the in-plane magnetized films and is adjacent to each other with the non-magnetic intermediate layer interposed therebetween. The in-plane magnetized films that match each other are ferromagnetically coupled to each other, and the in-plane magnetized films contain metal Co, metal Pt and oxides, and the total metal component of the in-plane magnetized films is , containing 55 at % or more and less than 95 at % of metallic Co, containing more than 5 at % and 45 at % or less of metallic Pt, and containing 10 vol % or more and 42 vol % or less of the oxide with respect to the entire in-plane magnetic film. 1. The in-plane magnetization film multilayer structure, wherein the total thickness of the plurality of in-plane magnetization films is 20 nm or more.
前記非磁性中間層は、RuまたはRu合金からなることが好ましい。 The non-magnetic intermediate layer is preferably made of Ru or Ru alloy.
前記面内磁化膜多層構造において、前記面内磁化膜は、CoPt合金結晶粒と前記酸化物の結晶粒界とからなるグラニュラ構造を有してなるように構成してもよい。 In the in-plane magnetization film multilayer structure, the in-plane magnetization film may have a granular structure composed of CoPt alloy crystal grains and crystal grain boundaries of the oxide.
前記面内磁化膜多層構造において、前記酸化物は、Ti、Si、W、B、Mo、Ta、Nbの酸化物のうちの少なくとも1種を含むものを用いてもよい。 In the in-plane magnetization film multilayer structure, the oxide may include at least one of oxides of Ti, Si, W, B, Mo, Ta, and Nb.
本発明に係るハードバイアス層は、前記面内磁化膜または前記面内磁化膜多層構造を有してなることを特徴とするハードバイアス層である。 A hard bias layer according to the present invention is a hard bias layer characterized by having the in-plane magnetization film or the in-plane magnetization film multilayer structure.
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記ハードバイアス層を有してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。 A magnetoresistive element according to the present invention is a magnetoresistive element comprising the hard bias layer.
本発明に係るスパッタリングターゲットは、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の少なくとも一部として用いられる面内磁化膜を室温成膜で形成する際に用いるスパッタリングターゲットであって、金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、当該スパッタリングターゲットの金属成分の合計に対して、金属Coを60at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く40at%以下含有し、当該スパッタリングターゲットの全体に対して前記酸化物を10vol%以上40vol%以下含有し、形成する前記面内磁化膜は、保磁力が2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化が2.00memu/cm2以上であることを特徴とするスパッタリングターゲットである。A sputtering target according to the present invention is a sputtering target used for forming an in-plane magnetized film, which is used as at least a part of a hard bias layer of a magnetoresistive element, at room temperature, and comprises metallic Co, metallic Pt and an oxide containing 60 at% or more and less than 95 at% of metal Co and more than 5 at% and 40 at% or less of metal Pt, based on the total metal components of the sputtering target, and the entire sputtering target contains On the other hand, the in-plane magnetization film formed by containing 10 vol % or more and 40 vol % or less of the oxide has a coercive force of 2.00 kOe or more and a residual magnetization per unit area of 2.00 memu/cm 2 or more. A sputtering target characterized by:
ここで、室温成膜とは、基板加熱をせずに成膜することを意味する。 Here, room temperature film formation means film formation without heating the substrate.
本発明によれば、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、加熱成膜を行わずに実現することができる面内磁化膜、面内磁化膜多層構造およびハードバイアス層を提供することができる。According to the present invention, the magnetic performance of coercive force Hc of 2.00 kOe or more and remanent magnetization Mrt per unit area of 2.00 memu/cm 2 or more is realized without thermal film formation. In-plane magnetization films, in-plane magnetization multilayer structures and hard bias layers can be provided.
(1)第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態に係る面内磁化膜10を、磁気抵抗効果素子12のハードバイアス層14に適用している状態を模式的に示す断面図である。なお、図1においては、下地層(面内磁化膜10は下地層の上に形成される)の記載は省略している。(1) First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a state in which an in-
ここでは、磁気抵抗効果素子12としてトンネル型磁気抵抗効果素子を念頭に置いて図1に示す構成の説明を行うが、本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、トンネル型磁気抵抗効果素子のハードバイアス層への適用に限定されるわけではなく、例えば巨大磁気抵抗効果素子、異方性磁気抵抗効果素子のハードバイアス層への適用も可能である。
Here, the configuration shown in FIG. 1 will be described with a tunneling magnetoresistance effect element as the
磁気抵抗効果素子12(ここでは、トンネル型磁気抵抗効果素子)は、非常に薄い非磁性トンネル障壁層(以下、バリア層54)によって分離された2つの強磁性層(フリー磁性層16、ピン層52)を有する。ピン層52は、隣接する反強磁性層(図示せず)との交換結合により固定されることなどによって、その磁化方向が固定されている。フリー磁性層16は、外部磁界が存在する状態で、その磁化方向を、ピン層52の磁化方向に対して自由に回転させることができる。フリー磁性層16が外部磁界によってピン層52の磁化方向に対して回転すると、電気抵抗が変化するため、この電気抵抗の変化を検出することで、外部磁界を検出することができる。
The magnetoresistive element 12 (here, tunneling magnetoresistive element) is composed of two ferromagnetic layers (free
ハードバイアス層14は、フリー磁性層16にバイアス磁界を加えて、フリー磁性層16の磁化方向軸を安定させる役割を有する。絶縁層50は電気的な絶縁材料で形成されており、センサ積層体(フリー磁性層16、バリア層54、ピン層52)を垂直方向に流れるセンサ電流が、センサ積層体(フリー磁性層16、バリア層54、ピン層52)の両側のハードバイアス層14に分流するのを抑制する役割を有する。
The
図1に示すように、本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、磁気抵抗効果素子12のハードバイアス層14として用いることができ、磁気抵抗効果を発揮するフリー磁性層16にバイアス磁界を加えることができる。ハードバイアス層14は、本第1実施形態に係る面内磁化膜10のみで構成されており、面内磁化膜10の単層で構成されている。
As shown in FIG. 1, the in-plane magnetized
本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、酸化物を含有し、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の保磁力と比べて同等程度以上の保磁力(2.00kOe以上の保磁力)および単位面積当たりの残留磁化(2.00memu/cm2以上)を有する単層の面内磁化膜である。具体的には、本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、CoPt-酸化物系の面内磁化膜であり、金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Coを55at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く45at%以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を10vol%以上42vol%以下含有し、厚さが20nm以上80nm以下である。The in-plane magnetized
なお、本願では、金属Coを単にCoと記載し、金属Ptを単にPtと記載し、金属Ruを単にRuと記載することがある。また、他の金属元素についても同様に記載することがある。 In the present application, the metal Co may be simply described as Co, the metal Pt may be simply described as Pt, and the metal Ru may be simply described as Ru. Other metal elements may also be described in the same way.
(1-1)面内磁化膜10の構成成分
本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、前述したように、金属成分としてCoおよびPtを含有し、また、酸化物を含有する。(1-1) Components of In-
金属Coおよび金属Ptは、スパッタリングによって形成される面内磁化膜において、磁性結晶粒(微小な磁石)の構成成分となる。 Metallic Co and metallic Pt are constituent components of magnetic crystal grains (micromagnets) in an in-plane magnetized film formed by sputtering.
Coは強磁性金属元素であり、面内磁化膜中の磁性結晶粒(微小な磁石)の形成において中心的な役割を果たす。スパッタリングによって得られる面内磁化膜中のCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)の結晶磁気異方性定数Kuを大きくするという観点および得られる面内磁化膜中のCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)の磁性を維持するという観点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のCoの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して55at%以上95at%未満としている。また、同様の点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のCoの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して55at%以上80at%以下であることが好ましく、65at%以上75at%以下であることがより好ましい。 Co is a ferromagnetic metal element and plays a central role in the formation of magnetic crystal grains (micromagnets) in the in-plane magnetic film. The viewpoint of increasing the magnetocrystalline anisotropy constant Ku of the CoPt alloy crystal grains (magnetic crystal grains) in the in-plane magnetization film obtained by sputtering and the CoPt alloy crystal grains (magnetic crystal grains) in the obtained in-plane magnetization film From the viewpoint of maintaining the magnetism, the content of Co in the in-plane magnetization film according to this embodiment is set to 55 at % or more and less than 95 at % with respect to the total metal components in the in-plane magnetization film. From the same point of view, the content of Co in the in-plane magnetized film according to the present embodiment is preferably 55 at % or more and 80 at % or less with respect to the total metal components in the in-plane magnetized film. It is more preferably 65 at % or more and 75 at % or less.
Ptは、所定の組成範囲でCoと合金化することにより合金の磁気モーメントを低減させる機能を有し、磁性結晶粒の磁性の強さを調整する役割を有する。一方、スパッタリングによって得られる面内磁化膜中のCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)の結晶磁気異方性定数Kuを大きくして、面内磁化膜の保磁力を大きくするという機能を有する。面内磁化膜の保磁力を大きくするという観点および得られる面内磁化膜中のCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)の磁性を調整するという観点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のPtの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して5at%より多く45at%以下としている。また、同様の点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のPtの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して20at%以上40at%以下であることが好ましく、25at%以上35at%以下であることがより好ましい。 Pt has the function of reducing the magnetic moment of the alloy by being alloyed with Co within a predetermined composition range, and has the role of adjusting the magnetic strength of the magnetic crystal grains. On the other hand, it has the function of increasing the magnetocrystalline anisotropy constant Ku of the CoPt alloy crystal grains (magnetic crystal grains) in the in-plane magnetization film obtained by sputtering, thereby increasing the coercive force of the in-plane magnetization film. From the viewpoint of increasing the coercive force of the in-plane magnetization film and from the viewpoint of adjusting the magnetism of the CoPt alloy crystal grains (magnetic crystal grains) in the obtained in-plane magnetization film, The content of Pt is more than 5 at % and 45 at % or less with respect to the total metal components in the in-plane magnetization film. From the same point of view, the content of Pt in the in-plane magnetized film according to the present embodiment is preferably 20 at % or more and 40 at % or less with respect to the total metal components in the in-plane magnetized film. It is more preferably 25 at % or more and 35 at % or less.
本第1実施形態に係る面内磁化膜10が含有する酸化物は、Ti、Si、W、B、Mo、Ta、Nbの酸化物のうちの少なくとも1種を含む。そして、面内磁化膜10中において、前記のような酸化物からなる非磁性体によって、CoPt合金磁性結晶粒同士が仕切られており、グラニュラ構造が形成されている。即ち、このグラニュラ構造は、CoPt合金結晶粒とその周囲を取り囲む前記酸化物の結晶粒界とからなる。
The oxide contained in the in-plane
したがって、面内磁化膜10中の酸化物の含有量を多くした方が磁性結晶粒同士の間を確実に仕切りやすくなり、磁性結晶粒同士を独立させやすくなるので好ましい。この観点から、本第1実施形態に係る面内磁化膜10中に含まれる酸化物の含有量を、10vol%以上にしており、また、同様の観点から、本第1実施形態に係る面内磁化膜10中に含まれる酸化物の含有量は、12.5vol%以上であることが好ましく、15vol%以上であることがより好ましい。
Therefore, it is preferable to increase the content of the oxide in the in-
ただし、面内磁化膜10中の酸化物の含有量が多くなりすぎると、酸化物がCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)中に混入してCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)の結晶性に悪影響を与えて、CoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)においてhcp以外の構造の割合が増えるおそれがある。この観点から、本第1実施形態に係る面内磁化膜10中に含まれる酸化物の含有量を、42vol%以下にしており、また、同様の観点から、本第1実施形態に係る面内磁化膜10中に含まれる酸化物の含有量は、37.5vol%以下であることが好ましく、35vol%以下であることがより好ましい。
However, if the content of oxides in the in-
したがって、本第1実施形態においては、面内磁化膜10中に含まれる酸化物の含有量を、10vol%以上42vol%以下にしており、また、本第1実施形態に係る面内磁化膜10中に含まれる酸化物の含有量は、12.5vol%以上37.5vol%以下であることが好ましく、15vol%以上35vol%以下であることがより好ましい。
Therefore, in the first embodiment, the content of oxide contained in the in-plane magnetized
後述する実施例で実証しているように、酸化物としてWO3またはMoO3を含むと、面内磁化膜10の保磁力Hcが大きくなるので、酸化物としてWO3またはMoO3を含むことが好ましい。As will be demonstrated in Examples described later, if WO 3 or MoO 3 is contained as an oxide, the coercive force Hc of the in-plane magnetized
なお、現状の面内磁化膜では、CoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)同士を仕切る粒界材料として、Cr、W、Ta、B等の単体元素が用いられているため、粒界材料が、ある程度、CoPt合金に固溶すると考えられる。このため、現状の面内磁化膜のCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)は、結晶性に悪影響を受けて飽和磁化および残留磁化が低減していると考えられ、現状の面内磁化膜は、その保磁力Hcおよび残留磁化の値が悪影響を受けていると考えられる。 In the current in-plane magnetization film, as a grain boundary material that partitions CoPt alloy crystal grains (magnetic crystal grains), simple elements such as Cr, W, Ta, and B are used. To some extent, it is considered to form a solid solution in the CoPt alloy. For this reason, it is considered that the CoPt alloy crystal grains (magnetic crystal grains) of the current in-plane magnetization film are adversely affected by the crystallinity and have reduced saturation magnetization and residual magnetization. It is believed that its coercivity Hc and remanent magnetization values are adversely affected.
一方、本第1実施形態に係る面内磁化膜10においては、粒界材料が酸化物であるので、粒界材料がCr、W、Ta、B等の単体元素の場合と比べて、粒界材料がCoPt合金に固溶しにくい。このため、本第1実施形態に係る面内磁化膜10中のCoPt合金結晶粒(磁性結晶粒)の飽和磁化および残留磁化は大きくなり、また、本第1実施形態に係る面内磁化膜10の保磁力Hcおよび残留磁化は大きくなる。このことは、後述する実施例で実証している。
On the other hand, in the in-plane magnetized
(1-2)面内磁化膜10の厚さ
後述する実施例で実証しているように、CoPt-WO3面内磁化膜の厚さ(非磁性中間層を設けない単層の場合)が20nmを下回ると、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2未満となり(比較例7)、CoPt-WO3面内磁化膜の厚さ(非磁性中間層を設けない単層の場合)が80nmを上回ると、保磁力Hcが2.00kOeを下回る(比較例8、9)ので、CoPt-WO3面内磁化膜が単層である本第1実施形態に係る面内磁化膜10の厚さは、20nm以上80nm以下に設定している。(1-2) Thickness of In-
ただし、後述する実施例で実証しているように、単層のCoPt-WO3面内磁化膜の厚さが20~40nmのとき保磁力Hcが大きくなり(実施例9、12、13)、20~30nmのとき保磁力Hcが特に大きくなる(実施例9、12)ので、本第1実施形態に係る面内磁化膜の厚さは、20~40nmであることが好ましく、20~30nmであることがより好ましい。However, as demonstrated in Examples described later, when the thickness of the single-layer CoPt-WO3 in - plane magnetic film is 20 to 40 nm, the coercive force Hc increases (Examples 9, 12, 13). When the thickness is 20 to 30 nm, the coercive force Hc becomes particularly large (Examples 9 and 12). It is more preferable to have
(1-3)面内磁化膜10の保磁力および残留磁化
本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の保磁力と比べて同等程度以上の保磁力(2.00kOe以上の保磁力)および同等程度以上の単位面積当たりの残留磁化(2.00memu/cm2以上)を有する単層の面内磁化膜である。(1-3) Coercive force and residual magnetization of the in-plane magnetized
後述する第2実施形態で詳述するように、本第1実施形態に係る面内磁化膜10を、非磁性中間層22(図2参照)を介在させて多層化することにより、残留磁化の値を維持したまま、保磁力をさらに向上させることができる。このことは、後述する実施例で実証している。
As will be described in detail in a second embodiment to be described later, the in-
(1-4)下地膜
本第1実施形態に係る面内磁化膜10を形成する際に用いる下地膜としては、面内磁化膜10の磁性粒子(CoPt合金粒子)と同じ結晶構造(六方最密充填構造hcp)である金属RuまたはRu合金からなる下地膜が適している。(1-4) Underlayer The underlayer used for forming the in-plane magnetized
積層する面内磁化膜(CoPt-酸化物)10の磁性結晶粒(CoPt合金粒子)を整然と面内配向させるため、用いるRu下地膜またはRu合金下地膜の表面には、(10.0)面または(11.0)面が多く配置されるようにすることが好ましい。 In order to orderly orient the magnetic crystal grains (CoPt alloy grains) of the laminated in-plane magnetic film (CoPt-oxide) 10, the surface of the Ru underlayer or Ru alloy underlayer used has (10.0) plane Alternatively, it is preferable to arrange many (11.0) planes.
なお、本発明に係る面内磁化膜を形成する際に用いる下地膜は、Ru下地膜またはRu合金下地膜に限定されるわけではなく、得られる面内磁化膜のCoPt磁性結晶粒を面内配向させ、かつ、CoPt磁性結晶粒同士の磁気的な分離を促進させることができる下地膜であれば使用可能である。 The underlayer used for forming the in-plane magnetized film according to the present invention is not limited to the Ru underlayer or the Ru alloy underlayer. Any underlayer can be used as long as it can be oriented and can promote magnetic separation between CoPt magnetic crystal grains.
(1-5)スパッタリングターゲット
本第1実施形態に係る面内磁化膜10を作製する際に用いるスパッタリングターゲットは、磁気抵抗効果素子12のハードバイアス層14の少なくとも一部として用いられる面内磁化膜10を室温成膜で形成する際に用いるスパッタリングターゲットであって、金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、当該スパッタリングターゲットの金属成分の合計に対して、金属Coを60at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く40at%以下含有し、当該スパッタリングターゲットの全体に対して前記酸化物を10vol%以上40vol%以下含有し、形成する面内磁化膜は、保磁力が2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化が2.00memu/cm2以上である。後述する「(J)作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の組成分析」に記載しているように、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の実際の組成(組成分析によって得られた組成)と、当該CoPt-酸化物系の面内磁化膜の作製に用いたスパッタリングターゲットの組成とはずれが生じるので、前記したスパッタリングターゲットに含まれる各元素の組成範囲は、そのずれを考慮して設定した組成範囲であり、本第1実施形態に係る面内磁化膜10に含まれる各元素の組成範囲とは一致していない。(1-5) Sputtering Target The sputtering target used in fabricating the in-
このスパッタリングターゲットの構成成分(金属Co、金属Ptおよび酸化物)についての説明は、前記「(1-1)面内磁化膜10の構成成分」に記載した面内磁化膜の構成成分についての説明と同様であるので、説明は省略する。
The constituent components (metallic Co, metallic Pt, and oxide) of this sputtering target are described in conjunction with the constituent components of the in-plane magnetized film described in the above "(1-1) Constituent Components of In-
(1-6)面内磁化膜10の形成方法
本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、前記「(1-5)スパッタリングターゲット」に記載したスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを行って、所定の下地膜(前記「(1-4)下地膜」に記載した下地膜)の上に成膜して形成する。なお、この成膜過程で加熱することは不要であり、本第1実施形態に係る面内磁化膜10は、室温成膜で形成することが可能である。(1-6) Method for forming the in-plane magnetized
(2)第2実施形態
図2は、本発明の第2実施形態に係る面内磁化膜多層構造20を、磁気抵抗効果素子24のハードバイアス層26に適用している状態を模式的に示す断面図である。(2) Second Embodiment FIG. 2 schematically shows a state in which an in-plane magnetization
以下、本第2実施形態に係る面内磁化膜多層構造20について説明するが、面内磁化膜10の構成成分、面内磁化膜10の保持力および残留磁化、面内磁化膜10を形成する際に用いる下地膜、面内磁化膜10を作製する際に用いるスパッタリングターゲット、および面内磁化膜10の形成方法については、すでに「(1)第1実施形態」において説明を行っているので、説明は省略する。
The in-plane magnetization
図2に示すように、本発明の第2実施形態に係る面内磁化膜多層構造20は、第1実施形態に係る面内磁化膜10を複数備え、さらに、その複数の第1実施形態に係る面内磁化膜10同士の間に、非磁性中間層22を備えており、面内磁化膜10が非磁性中間層22を介して複数積み重ねられた構造になっている。
As shown in FIG. 2, the in-plane magnetization
面内磁化膜多層構造20において、面内磁化膜10の1層当たりの厚さは、標準的には5nm以上30nm以下である。また、面内磁化膜10の総厚(合計の厚さ)は、残留磁化Mrtを2meum/cm2以上にする観点から、20nm以上にしている。また、面内磁化膜10の総厚(合計の厚さ)の上限に関しては、後述するように、非磁性中間層22が介在することによって分離された隣り合う面内磁化膜10同士は強磁性結合を行うため、面内磁化膜10の総厚(合計の厚さ)が大きくなっても、理論上は保磁力Hcは小さくならず、上限はない。実際に、後述する実施例によって、少なくとも総厚(合計の厚さ)が100nmまでは、保磁力Hcが2kOe以上となることを確認している。また、面内磁化膜多層構造20における面内磁化膜10の1層当たりの厚さに関しては、保磁力Hcをより大きくする観点から、5nm以上15nm以下であることが好ましく、10nm以上15nm以下であることがより好ましい。In the in-plane magnetization
本第2実施形態に係る面内磁化膜多層構造20は、磁気抵抗効果素子24のハードバイアス層26として用いることができ、磁気抵抗効果を発揮するフリー磁性層28にバイアス磁界を加えることができる。
The in-plane magnetic
非磁性中間層22は、第1実施形態に係る面内磁化膜10同士の間に介在して、面内磁化膜10を分離し、面内磁化膜10を多層化する役割を有する。面内磁化膜10を非磁性中間層22を介在させて多層化することにより、残留磁化Mrtの値を維持したまま、保磁力Hcをさらに向上させることができる。
The non-magnetic
非磁性中間層22が介在することによって分離された隣り合う面内磁化膜10同士は、スピンが平行(同じ向き)になるように配置する。このように配置することにより、非磁性中間層22が介在することによって分離された隣り合う面内磁化膜10同士は強磁性結合を行うため、面内磁化膜10は、残留磁化Mrtの値を維持したまま、保磁力Hcをさらに向上させることができる。
The adjacent in-plane magnetized
したがって、本第2実施形態に係る面内磁化膜多層構造20は良好な保磁力Hcを発現することができる。
Therefore, the in-plane magnetic
非磁性中間層22に用いる金属は、CoPt合金磁性結晶粒の結晶構造を損なわないようにする観点から、CoPt合金磁性結晶粒と同じ結晶構造(六方最密充填構造hcp)の金属にする。具体的には、非磁性中間層22としては、面内磁化膜10中のCoPt合金磁性結晶粒の結晶構造と同じ結晶構造(六方最密充填構造hcp)である金属RuまたはRu合金を好適に用いることができる。
The metal used for the non-magnetic
非磁性中間層22に用いる金属がRu合金の場合の添加元素としては、具体的には例えば、Cr、Pt、Coを用いることができ、それらの金属の添加量の範囲は、Ru合金が六方最密充填構造hcpとなる範囲とするのがよい。
When the metal used for the non-magnetic
アーク溶解を行ってRu合金のバルクサンプルを作製し、X線回折装置(XRD:((株)リガク製 SmartLab)によってX線回折のピーク解析を行ったところ、RuCr合金においては、Crの添加量が50at%のときに、六方最密充填構造hcpとRuCr2の混相が確認されたので、非磁性中間層22にRuCr合金を用いる場合、Crの添加量は50at%未満とするのが適当であり、40at%未満とすることが好ましく、30at%未満とすることがより好ましい。また、RuPt合金においては、Ptの添加量が15at%のときに、六方最密充填構造hcpとPt由来の面心立方構造fccの混相が確認されたので、非磁性中間層22にRuPt合金を用いる場合、Ptの添加量は15at%未満とするのが適当であり、12.5at%未満とすることが好ましく、10at%未満とすることがより好ましい。また、RuCo合金においては、Coの添加量に関わらず六方最密充填構造hcpを形成するが、Coを40at%以上添加すると磁性体となるため、Coの添加量は40at%未満とするのが適当であり、30at%未満とすることが好ましく、20at%未満とすることがより好ましい。A bulk sample of Ru alloy was produced by arc melting, and X-ray diffraction peak analysis was performed using an X-ray diffraction device (XRD: (SmartLab manufactured by Rigaku Corporation). is 50 at %, a mixed phase of the hexagonal close-packed structure hcp and RuCr 2 was confirmed. Therefore, when a RuCr alloy is used for the non-magnetic
また、非磁性中間層22の厚さは、0.3nm以上3nm以下が好ましい。後述する実施例で実証しているように、金属RuまたはRu合金からなる厚さ0.3nm以上3nm以下の非磁性中間層を用いることにより、面内磁化膜10の保磁力Hcを15%程度向上させることができる。ただし、厚さ0.3nm以上3nm以下の非磁性中間層であれば、面内磁化膜10の保磁力Hcを向上させる効果はほぼ同じであるので、材料コスト低減の観点および磁気抵抗効果素子への適用のしやすさの観点(厚さが薄い方が、磁気抵抗効果素子へ適用しやすくなる。)から、非磁性中間層22の厚さは、0.3nm以上1.5nm以下がより好ましく、0.3nm以上0.6nm以下が特に好ましい。
Also, the thickness of the non-magnetic
以下、CoPt-酸化物系の面内磁化膜について、本発明を裏付けるための実施例および比較例について記載する。以下の(A)では、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分であるCo、Ptの組成比について検討しており、以下の(B)では、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物(WO3)の体積比について検討しており、以下の(C)では、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さについて検討しており、以下の(D)では、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物の種類について検討している。また、以下の(E)~(I)では、非磁性中間層によるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の多層化について記載している。Examples and comparative examples for supporting the present invention will be described below with respect to CoPt-oxide-based in-plane magnetic films. In the following (A), the composition ratio of Co and Pt, which are the metal components of the CoPt-oxide system in-plane magnetization film, is studied, and in the following (B), the CoPt-oxide system in-plane magnetization The volume ratio of the oxide (WO 3 ) in the film is studied. In the following (C), the thickness of the in-plane magnetic film of the CoPt-oxide system is studied, and in the following (D), The type of oxide for the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is being studied. In addition, (E) to (I) below describe multi-layering of a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film using a non-magnetic intermediate layer.
また、以下の(J)では、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の実際の組成(組成分析によって得られた組成)と、当該CoPt-酸化物系の面内磁化膜の作製に用いたスパッタリングターゲットの組成とのずれの程度を確認するために、実施例45、47、50、52のCoPt-WO3系の面内磁化膜を取り上げて、組成分析を行った。その結果、面内磁化膜の組成と当該面内磁化膜を作製するのに用いたスパッタリングターゲットの組成との間にずれが生じることが判明した。そのため、実際に組成分析を行った実施例45、47、50、52以外のCoPt-酸化物系の面内磁化膜の組成については、実施例45、47、50、52の組成分析結果から判明した組成のずれを考慮して、作製に用いたスパッタリングターゲットの組成から算出し、各実施例におけるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の組成とした。In addition, in the following (J), the actual composition (composition obtained by composition analysis) of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film manufactured and the composition of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film In order to confirm the degree of deviation from the composition of the sputtering target used, the in-plane magnetic films of CoPt--WO 3 system of Examples 45, 47, 50 and 52 were picked up and subjected to composition analysis. As a result, it was found that there was a difference between the composition of the in-plane magnetization film and the composition of the sputtering target used to produce the in-plane magnetization film. Therefore, the compositions of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic films other than those of Examples 45, 47, 50, and 52 for which the composition analysis was actually performed were clarified from the composition analysis results of Examples 45, 47, 50, and 52. The composition of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film in each example was calculated from the composition of the sputtering target used in the production in consideration of the compositional deviation.
<(A)CoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分であるCo、Ptの組成比についての検討(実施例1~7、比較例1、2)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分であるCo、Ptの組成を変化させて実験データを取得した。形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜は単層であり、非磁性中間層は設けていない。具体的には以下の通りである。<(A) Examination of the composition ratio of Co and Pt, which are the metal components of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film (Examples 1 to 7, Comparative examples 1 and 2)>
Experimental data was obtained by changing the composition of Co and Pt, which are the metal components of the CoPt-oxide in-plane magnetic film formed on the Ru underlayer. The CoPt-oxide-based in-plane magnetic film to be formed is a single layer, and no non-magnetic intermediate layer is provided. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、株式会社エイコーエンジニアリング製ES-3100Wを用いてスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜を同装置を用いてスパッタリング法により厚さ50nmとなるように形成した。この成膜過程では基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。なお、本願の実施例および比較例においてスパッタリングの際に用いたスパッタリング装置は株式会社エイコーエンジニアリング製ES-3100Wであるが、以下では装置名の記載は省略する。 On a Si substrate, a Ru underlayer was formed to a thickness of 30 nm by sputtering using ES-3100W manufactured by Eiko Engineering Co., Ltd., and a CoPt-oxide in-plane magnetic film was formed thereon by the same apparatus. was formed to a thickness of 50 nm by a sputtering method. In this film forming process, the substrate was not heated, and the film was formed at room temperature. The sputtering apparatus used for sputtering in the examples and comparative examples of the present application is ES-3100W manufactured by Eiko Engineering Co., Ltd., but the name of the apparatus is omitted below.
形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分であるCoとPtの合計に対するPtの含有割合を、5.7at%から50.5at%まで5.6at%刻みで変化させてサンプルを作製し、データを取得した。 The content of Pt with respect to the sum of Co and Pt, which are the metal components of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film to be formed, was varied from 5.7 at % to 50.5 at % in steps of 5.6 at %, and samples were prepared. data was obtained.
作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜のヒステリシスループを振動型磁力計(VSM:(株)玉川製作所製 TM-VSM211483-HGC型)(以下、振動型磁力計と記す。)により測定した。測定したヒステリシスループから、保磁力Hc(kOe)および残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、読み取った残留磁化Mr(memu/cm3)に、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の膜厚50nmを乗じて、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表1に示す。The hysteresis loop of the produced CoPt-oxide-based in-plane magnetized film was measured by a vibration magnetometer (VSM: TM-VSM211483-HGC manufactured by Tamagawa Seisakusho Co., Ltd.) (hereinafter referred to as a vibration magnetometer). . Coercive force Hc (kOe) and residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) were read from the measured hysteresis loop. Then, the read remanent magnetization Mr (memu/cm 3 ) was multiplied by the film thickness of 50 nm of the manufactured CoPt-oxide system in-plane magnetization film, and the unit area of the manufactured CoPt-oxide system in-plane magnetization film was obtained. Permanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) was calculated. The results are shown in Table 1 below.
表1からわかるように、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分(Co、Pt)の合計に対するPtの含有量が10~45at%、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の全体に対する酸化物(WO3)の体積比が31.0vol%で、かつ、厚さが50nmであり、本発明の範囲に含まれる実施例1~7は、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、基板加熱をしない室温成膜で実現している。As can be seen from Table 1, the content of Pt with respect to the total metal components (Co, Pt) of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film is 10 to 45 at%, and the entire CoPt-oxide-based in-plane magnetization film The volume ratio of the oxide (WO 3 ) to the oxide (WO 3 ) is 31.0 vol% and the thickness is 50 nm. In addition, the magnetic performance that the remanent magnetization Mrt per unit area is 2.00 memu/cm 2 or more is realized by film formation at room temperature without heating the substrate.
一方、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分(Co、Pt)の合計に対するPtの含有量が5.7at%であり、本発明の範囲に含まれない比較例1は、保磁力Hcが1.47kOeであり、保磁力Hcが2.00kOe未満である。また、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分(Co、Pt)の合計に対するPtの含有量が50.5at%であり、本発明の範囲に含まれない比較例2は、単位面積当たりの残留磁化Mrtが1.62memu/cm2であり、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2未満である。On the other hand, the content of Pt with respect to the total of the metal components (Co, Pt) of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is 5.7 at %, and Comparative Example 1, which is not included in the scope of the present invention, has a coercive force Hc is 1.47 kOe and coercive force Hc is less than 2.00 kOe. Further, the content of Pt with respect to the total of the metal components (Co, Pt) of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is 50.5 at%, and Comparative Example 2, which is not included in the scope of the present invention, has a unit area The remanent magnetization Mrt per unit area is 1.62 memu/cm 2 and the remanent magnetization Mrt per unit area is less than 2.00 memu/cm 2 .
<(B)CoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物(WO3)の体積比についての検討(実施例8~11、比較例3~6)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物(WO3)の体積比を変化させて実験データを取得した。形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜は単層であり、非磁性中間層は設けていない。具体的には以下の通りである。<(B) Examination of volume ratio of oxide (WO 3 ) in in-plane magnetic film of CoPt-oxide system (Examples 8 to 11, Comparative examples 3 to 6)>
Experimental data was obtained by changing the volume ratio of the oxide (WO 3 ) in the CoPt-oxide in-plane magnetic film formed on the Ru underlayer. The CoPt-oxide-based in-plane magnetic film to be formed is a single layer, and no non-magnetic intermediate layer is provided. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した。この成膜過程では基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。 A Ru underlayer was formed on a Si substrate by sputtering to a thickness of 30 nm, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film was formed thereon by a sputtering method to a thickness of 30 nm. In this film forming process, the substrate was not heated, and the film was formed at room temperature.
形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物(WO3)の体積比を、0vol%から51.8vol%まで、5.2vol%または10.4vol%(または10.5vol%)の刻み幅で変化させてサンプルを作製し、データを取得した。The volume ratio of the oxide (WO 3 ) of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film to be formed is from 0 vol% to 51.8 vol%, 5.2 vol% or 10.4 vol% (or 10.5 vol%). Samples were prepared by changing the step width, and data were acquired.
作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜のヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、保磁力Hc(kOe)および残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、読み取った残留磁化Mr(memu/cm3)に、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の膜厚30nmを乗じて、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表2に示す。The hysteresis loop of the produced CoPt-oxide-based in-plane magnetized film was measured with a vibration magnetometer. Coercive force Hc (kOe) and residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) were read from the measured hysteresis loop. Then, the read remanent magnetization Mr (memu/cm 3 ) was multiplied by the film thickness of 30 nm of the manufactured CoPt-oxide system in-plane magnetization film, and the unit area of the manufactured CoPt-oxide system in-plane magnetization film was obtained. Permanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) was calculated. The results are shown in Table 2 below.
表2からわかるように、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の全体に対する酸化物(WO3)の体積比が10~42vol%、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の金属成分(Co、Pt)の合計に対するPtの含有量が22.5at%で、かつ、厚さが30nmであり、本発明の範囲に含まれる実施例8~11は、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、基板加熱をしない室温成膜で実現している。As can be seen from Table 2, the volume ratio of the oxide (WO 3 ) to the entire CoPt-oxide-based in-plane magnetization film is 10 to 42 vol%, and the metal component (Co , Pt), the Pt content is 22.5 at%, the thickness is 30 nm, and the coercive force Hc is 2.00 kOe or more, In addition, the magnetic performance that the remanent magnetization Mrt per unit area is 2.00 memu/cm 2 or more is realized by film formation at room temperature without heating the substrate.
一方、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の全体に対する酸化物(WO3)の体積比が0vol%であり、本発明の範囲に含まれない比較例3は、保磁力Hcが1.34kOeであり、保磁力Hcが2.00kOe未満である。また、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の全体に対する酸化物(WO3)の体積比が4.9vol%であり、本発明の範囲に含まれない比較例4は、保磁力Hcが1.59kOeであり、保磁力Hcが2.00kOe未満である。また、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の全体に対する酸化物(WO3)の体積比が46.6vol%であり、本発明の範囲に含まれない比較例5は、単位面積当たりの残留磁化Mrtが1.77memu/cm2であり、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2未満である。また、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の全体に対する酸化物(WO3)の体積比が51.8vol%であり、本発明の範囲に含まれない比較例6は、単位面積当たりの残留磁化Mrtが1.53memu/cm2であり、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2未満である。On the other hand, the volume ratio of the oxide (WO 3 ) to the entire CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is 0 vol %, and Comparative Example 3, which is not within the scope of the present invention, has a coercive force Hc of 1.34 kOe. and the coercive force Hc is less than 2.00 kOe. Further, the volume ratio of the oxide (WO 3 ) to the entire CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is 4.9 vol %, and Comparative Example 4, which is not within the scope of the present invention, has a coercive force Hc of 1. 0.59 kOe and a coercive force Hc of less than 2.00 kOe. Further, the volume ratio of the oxide (WO 3 ) to the entire CoPt-oxide-based in-plane magnetized film is 46.6 vol %, and Comparative Example 5, which is not within the scope of the present invention, has a residual per unit area of The magnetization Mrt is 1.77 memu/cm 2 and the residual magnetization Mrt per unit area is less than 2.00 memu/cm 2 . Further, the volume ratio of the oxide (WO 3 ) to the entire CoPt-oxide-based in-plane magnetized film is 51.8 vol %, and Comparative Example 6, which is not within the scope of the present invention, has a residual per unit area of The magnetization Mrt is 1.53 memu/cm 2 and the residual magnetization Mrt per unit area is less than 2.00 memu/cm 2 .
<(C)CoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さについての検討(実施例9、12~17および比較例7~9)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さを変化させて実験データを取得した。形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3は単層であり、非磁性中間層を設けていない。具体的には以下の通りである。<(C) Examination of thickness of in-plane magnetic film of CoPt-oxide system (Examples 9, 12 to 17 and Comparative Examples 7 to 9)>
Experimental data was obtained by changing the thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film (Co-22.5Pt)-20.5 vol% WO 3 formed on the Ru underlayer. The CoPt-oxide-based in-plane magnetic film (Co-22.5Pt)-20.5vol% WO 3 to be formed is a single layer, and no non-magnetic intermediate layer is provided. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3をスパッタリング法により形成した。この成膜過程では基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。A Ru underlayer was formed on a Si substrate by sputtering to a thickness of 30 nm, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film (Co- 22.5Pt )-20.5 vol% WO3 was sputtered thereon. Formed by law. In this film forming process, the substrate was not heated, and the film was formed at room temperature.
スパッタリングの際には、スパッタ時間を変化させて、得られるCoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さを、10nmから100nmまで10nm刻みで変化させてサンプルを作製し、データを取得した。During sputtering, the sputtering time was changed to change the thickness of the obtained CoPt-oxide-based in-plane magnetic film (Co-22.5Pt) -20.5vol % WO3 from 10 nm to 100 nm in increments of 10 nm. Samples were prepared and data were acquired.
ここで、各サンプルの面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さは、スパッタレートとスパッタ時間から算出することができる。スパッタレートについては、成膜した面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さとスパッタ時間との関係を事前に測定して算出した。この際、面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さは、触針式段差計(BRUKER製 DektakXT)を用い、触針に100μNの負荷を加えて膜付着部と未付着部を通過させ、通過させた際の膜厚方向の高さの差を求めて算出した。さらに、各サンプルの面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の垂直断面をTEM(透過電子顕微鏡)(日立ハイテクノロジーズ製 H-9500)で観察して膜厚の確認を行った。Here, the thickness of the in-plane magnetic film (Co- 22.5Pt )-20.5vol% WO3 of each sample can be calculated from the sputtering rate and sputtering time. The sputtering rate was calculated by previously measuring the relationship between the thickness of the formed in-plane magnetic film (Co- 22.5Pt )-20.5vol% WO3 and the sputtering time. At this time, the thickness of the in-plane magnetized film (Co- 22.5Pt )-20.5 vol% WO3 was measured using a stylus profilometer (DektakXT manufactured by BRUKER), applying a load of 100 μN to the stylus to determine the thickness of the film adhesion part. The film was passed through the unattached portion, and the height difference in the film thickness direction was obtained and calculated. Furthermore, the vertical cross section of the in-plane magnetized film (Co- 22.5Pt )-20.5vol%WO3 of each sample was observed with a TEM (transmission electron microscope) (Hitachi High-Technologies H-9500) to confirm the film thickness. rice field.
作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜のヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、保磁力Hc(kOe)および残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、読み取った残留磁化Mr(memu/cm3)に、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の膜厚を乗じて、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表3に示す。The hysteresis loop of the produced CoPt-oxide-based in-plane magnetized film was measured with a vibration magnetometer. Coercive force Hc (kOe) and residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) were read from the measured hysteresis loop. Then, the remanent magnetization Mr (memu/cm 3 ) read was multiplied by the film thickness of the manufactured CoPt-oxide based in-plane magnetized film, and the resulting CoPt-oxide based in-plane magnetized film per unit area The residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) was calculated. The results are shown in Table 3 below.
表3からわかるように、CoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さが20~80nmであり、本発明の範囲に含まれる実施例9、12~17は、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、基板加熱をしない室温成膜で実現している。As can be seen from Table 3 , the thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film (Co-22.5Pt)-20.5 vol% WO3 is 20 to 80 nm. Nos. 12 to 17 realized magnetic properties such as coercive force Hc of 2.00 kOe or more and remanent magnetization Mrt per unit area of 2.00 memu/cm 2 or more by room-temperature deposition without substrate heating. ing.
実施例9、12~17のうち、CoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さが20~40nmである実施例9、12、13は、保磁力Hcが3.5kOe以上と大きい。また、厚さが薄い方が、磁気抵抗効果素子への適用もしやすくなり、また、材料費も低減される。したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さは20~40nmであることが好ましいと考えられる。Among Examples 9, 12 to 17, Examples 9, 12, and 13 in which the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film (Co-22.5Pt)-20.5 vol% WO 3 has a thickness of 20 to 40 nm The coercive force Hc is as large as 3.5 kOe or more. Also, the thinner the thickness, the easier it is to apply to the magnetoresistive effect element, and the lower the material cost. Therefore, the thickness of the CoPt-oxide system in-plane magnetic film (Co-22.5Pt)-20.5 vol% WO 3 is considered to be preferably 20 to 40 nm.
一方、CoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さが10nmであり、本発明の範囲に含まれない比較例7は、単位面積当たりの残留磁化Mrtが1.26memu/cm2であり、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2未満である。また、CoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さが90nmであり、本発明の範囲に含まれない比較例8は、保磁力Hcが1.78kOeであり、保磁力Hcが2.00kOe未満である。また、CoPt-酸化物系の面内磁化膜(Co-22.5Pt)-20.5vol%WO3の厚さが100nmであり、本発明の範囲に含まれない比較例9は、保磁力Hcが1.49kOeであり、保磁力Hcが2.00kOe未満である。On the other hand, the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film (Co- 22.5Pt )-20.5 vol% WO3 has a thickness of 10 nm, and Comparative Example 7, which is not within the scope of the present invention, has a residual per unit area of The magnetization Mrt is 1.26 memu/cm 2 and the residual magnetization Mrt per unit area is less than 2.00 memu/cm 2 . In addition, the thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film (Co- 22.5Pt )-20.5 vol% WO3 is 90 nm, and Comparative Example 8, which is not within the scope of the present invention, has a coercive force Hc of 1. .78 kOe and a coercive force Hc of less than 2.00 kOe. In Comparative Example 9, in which the thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film (Co- 22.5Pt )-20.5 vol% WO3 is 100 nm, and which is not within the scope of the present invention, the coercive force Hc is 1. .49 kOe and a coercive force Hc of less than 2.00 kOe.
<(D)CoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物の種類についての検討(実施例10、18~23)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物の種類を種々変更して実験データを取得した。形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜は単層であり、非磁性中間層は設けていない。具体的には以下の通りである。<(D) Examination of types of oxides in CoPt-oxide-based in-plane magnetic films (Examples 10, 18 to 23)>
Experimental data was obtained by variously changing the type of oxide of the CoPt-oxide in-plane magnetic film formed on the Ru underlayer. The CoPt-oxide-based in-plane magnetic film to be formed is a single layer, and no non-magnetic intermediate layer is provided. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した。この成膜過程では基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。 A Ru underlayer was formed on a Si substrate by sputtering to a thickness of 30 nm, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film was formed thereon by a sputtering method to a thickness of 30 nm. In this film forming process, the substrate was not heated, and the film was formed at room temperature.
形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物の種類を種々変更してデータを取得した。用いた酸化物は、WO3、B2O3、MoO3、Nb2O5、SiO2、Ta2O5、TiO2である。Data were obtained by changing the type of oxide of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film to be formed. The oxides used are WO3, B2O3 , MoO3 , Nb2O5 , SiO2 , Ta2O5 and TiO2 .
作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜のヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、保磁力Hc(kOe)および残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、読み取った残留磁化Mr(memu/cm3)に、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の膜厚30nmを乗じて、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表4に示す。The hysteresis loop of the produced CoPt-oxide-based in-plane magnetized film was measured with a vibration magnetometer. Coercive force Hc (kOe) and residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) were read from the measured hysteresis loop. Then, the read remanent magnetization Mr (memu/cm 3 ) was multiplied by the film thickness of 30 nm of the manufactured CoPt-oxide system in-plane magnetization film, and the unit area of the manufactured CoPt-oxide system in-plane magnetization film was obtained. Permanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) was calculated. The results are shown in Table 4 below.
表4からわかるように、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の酸化物として、WO3、B2O3、MoO3、Nb2O5、SiO2、Ta2O5、TiO2を用いた実施例10、18~23は、組成が(Co-22.5Pt)-30~31vol%酸化物で、かつ、厚さが30nmであり、本発明の範囲に含まれるが、いずれも、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、基板加熱をしない室温成膜で実現している。As can be seen from Table 4, WO 3 , B 2 O 3 , MoO 3 , Nb 2 O 5 , SiO 2 , Ta 2 O 5 and TiO 2 were used as the oxides of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film. Examples 10 and 18 to 23 have a composition of (Co-22.5Pt)-30 to 31 vol% oxide and a thickness of 30 nm, and are within the scope of the present invention. The magnetic properties of Hc of 2.00 kOe or more and residual magnetization Mrt of 2.00 memu/cm 2 or more per unit area are realized by room-temperature deposition without substrate heating.
酸化物としてWO3を用いた実施例10および酸化物としてMoO3を用いた実施例19においては、作製したCoPt-酸化物系の面内磁化膜の保磁力が3kOeを超えており、CoPt-酸化物系の面内磁化膜において用いる酸化物として好ましい。In Example 10 using WO 3 as the oxide and Example 19 using MoO 3 as the oxide, the coercive force of the produced CoPt-oxide-based in-plane magnetic film exceeded 3 kOe. It is preferable as an oxide used in an oxide-based in-plane magnetic film.
<(E)非磁性中間層(金属Ru単体からなるスパッタリングターゲットを用いて作製した非磁性中間層)によるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の多層化についての検討(実施例24~30)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さ方向の中間位置に、金属Ru単体からなるスパッタリングターゲットを用いて作製した非磁性中間層(以下、金属Ru非磁性中間層と記すことがある。)を設けて、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を多層化(2層化)させて実験データを取得した。その際、設ける金属Ru非磁性中間層の厚さを0nmから3.0nmの範囲で変化させてデータの取得を行った。具体的には以下の通りである。<(E) Investigation of multi-layering of CoPt-oxide-based in-plane magnetic films by non-magnetic intermediate layers (non-magnetic intermediate layers produced using a sputtering target made of metal Ru alone) (Examples 24 to 30) >
A non-magnetic intermediate layer (hereafter referred to as metal Ru non-magnetic An intermediate layer is sometimes referred to as an intermediate layer), and the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film is multi-layered (two-layered) to obtain experimental data. At that time, the data was obtained by changing the thickness of the metallic Ru non-magnetic intermediate layer provided in the range of 0 nm to 3.0 nm. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した後、その上に金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、さらにその上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した。この成膜過程では基板加熱を行っておらず、いずれも室温成膜で行った。 After forming a Ru underlayer to a thickness of 30 nm on a Si substrate by sputtering, and forming a CoPt-oxide-based in-plane magnetization film thereon by sputtering to a thickness of 30 nm. A metal Ru non-magnetic intermediate layer was formed thereon by sputtering, and a CoPt-oxide based in-plane magnetic film was formed thereon by sputtering to a thickness of 30 nm. In this film formation process, the substrate was not heated, and all film formation was performed at room temperature.
金属Ru非磁性中間層の厚さを、0nm、0.3nm、0.6nm、1.2nm、1.8nm、2.4nm、3.0nmと変化させてサンプルを作製し、データを取得した。 Samples were prepared by changing the thickness of the metal Ru non-magnetic intermediate layer to 0 nm, 0.3 nm, 0.6 nm, 1.2 nm, 1.8 nm, 2.4 nm, and 3.0 nm, and data were obtained.
作製した多層化サンプルのヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の保磁力Hc(kOe)および単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、作製した多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の合計の膜厚60nmを、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)に乗じて、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表5に示す。なお、実施例24は、非磁性中間層を設けていない実施例であり、非磁性中間層を設けて面内磁化膜を多層化した実施例25~30と対比するための参考実施例という位置づけの実施例である。The hysteresis loop of the produced multilayered sample was measured with a vibrating magnetometer. From the measured hysteresis loop, the coercive force Hc (kOe) of the in-plane magnetized film contained in the multilayered sample and the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume were read. Then, by multiplying the total film thickness of 60 nm of the in-plane magnetized films included in the manufactured multilayered sample by the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume of the in-plane magnetized films included in the multilayered sample, The residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area of the in-plane magnetized film included in the multilayer sample was calculated. The results are shown in Table 5 below. Note that Example 24 is an example in which no nonmagnetic intermediate layer is provided, and is positioned as a reference example for comparison with Examples 25 to 30 in which a nonmagnetic intermediate layer is provided and the in-plane magnetization film is multi-layered. is an embodiment of
表5からわかるように、金属Ru非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例25~30は、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcがいずれも15%程度以上向上している。一方、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)は、実施例24(面内磁化膜が単層)とほぼ同等である。As can be seen from Table 5, in Examples 25 to 30 in which a metal Ru non-magnetic intermediate layer was provided and the in-plane magnetization film was multi-layered, the non-magnetic intermediate layer was not provided and the in-plane magnetization film was a single layer. As compared with Example 24, the coercive force Hc is improved by about 15% or more. On the other hand, the residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area is substantially the same as that of Example 24 (the in-plane magnetization film is a single layer).
したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を、金属Ru非磁性中間層によって多層化することにより、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を維持したまま、保磁力Hcを15%程度以上向上させることができると考えられる。Therefore, by multilayering a CoPt-oxide-based in-plane magnetized film with a metal Ru non-magnetic intermediate layer, the coercive force Hc can be reduced to 15 while maintaining the remanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area. % or more.
また、金属Ru非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例25~30においては、金属Ru非磁性中間層の厚さが0.3~3.0nmの範囲で変化しているが、保磁力Hc(kOe)および単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)は、ほぼ同等である。Further, in Examples 25 to 30 in which a metal Ru nonmagnetic intermediate layer was provided and the in-plane magnetization film was multi-layered, the thickness of the metal Ru nonmagnetic intermediate layer varied in the range of 0.3 to 3.0 nm. However, the coercive force Hc (kOe) and remanent magnetization Mrt per unit area (memu/cm 2 ) are almost the same.
したがって、金属Ru非磁性中間層の厚さは、0.3~3.0nmの範囲であれば、多層化したCoPt-酸化物系の面内磁化膜への効果(保磁力Hcおよび残留磁化Mrtの点での効果)は同等であると考えられる。 Therefore, if the thickness of the metal Ru non-magnetic intermediate layer is in the range of 0.3 to 3.0 nm, the effect (coercive force Hc and remanent magnetization Mrt ) are considered to be equivalent.
<(F)非磁性中間層(Ru合金層)によるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の多層化についての検討(実施例24、31~36)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さ方向の中間位置に、Ru合金(Ru-25Cr-25Co)からなるスパッタリングターゲットを用いて作製した非磁性中間層(以下、Ru合金非磁性中間層と記すことがある。)を設けて、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を多層化(2層化)させて実験データを取得した。その際、設けるRu合金非磁性中間層の厚さを0nmから3.0nmの範囲で変化させてデータの取得を行った。具体的には以下の通りである。<(F) Examination of multi-layering of CoPt-oxide-based in-plane magnetization films by non-magnetic intermediate layers (Ru alloy layers) (Examples 24, 31 to 36)>
A non-magnetic intermediate layer ( Hereinafter, it may be referred to as a Ru alloy non-magnetic intermediate layer), and the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film was multi-layered (double-layered) to obtain experimental data. At that time, the data was obtained while changing the thickness of the Ru alloy non-magnetic intermediate layer to be provided in the range of 0 nm to 3.0 nm. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した後、その上にRu合金非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、さらにその上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した。この成膜過程では基板加熱を行っておらず、いずれも室温成膜で行った。 After forming a Ru underlayer to a thickness of 30 nm on a Si substrate by sputtering, and forming a CoPt-oxide-based in-plane magnetization film thereon by sputtering to a thickness of 30 nm. A Ru alloy non-magnetic intermediate layer was formed thereon by sputtering, and a CoPt-oxide based in-plane magnetic film was formed thereon by sputtering to a thickness of 30 nm. In this film formation process, the substrate was not heated, and all film formation was performed at room temperature.
Ru合金非磁性中間層の厚さを、0nm、0.3nm、0.6nm、1.2nm、1.8nm、2.4nm、3.0nmと変化させてサンプルを作製し、データを取得した。 Samples were prepared by changing the thickness of the Ru alloy nonmagnetic intermediate layer to 0 nm, 0.3 nm, 0.6 nm, 1.2 nm, 1.8 nm, 2.4 nm, and 3.0 nm, and data were obtained.
作製した多層化サンプルのヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の保磁力Hc(kOe)および単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、作製した多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の合計の膜厚60nmを、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)に乗じて、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表6に示す。なお、実施例24は、非磁性中間層を設けていない実施例であり、非磁性中間層を設けて面内磁化膜を多層化した実施例31~36と対比するための参考実施例という位置づけの実施例である。The hysteresis loop of the produced multilayered sample was measured with a vibrating magnetometer. From the measured hysteresis loop, the coercive force Hc (kOe) of the in-plane magnetized film contained in the multilayered sample and the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume were read. Then, by multiplying the total film thickness of 60 nm of the in-plane magnetized films included in the manufactured multilayered sample by the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume of the in-plane magnetized films included in the multilayered sample, The residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area of the in-plane magnetized film included in the multilayer sample was calculated. The results are shown in Table 6 below. Note that Example 24 is an example in which no nonmagnetic intermediate layer is provided, and is positioned as a reference example for comparison with Examples 31 to 36 in which a nonmagnetic intermediate layer is provided and the in-plane magnetization film is multi-layered. is an embodiment of
表6からわかるように、Ru合金非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例31~36は、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcがいずれも11%程度以上向上している。一方、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)は、実施例24(面内磁化膜が単層)とほぼ同等である。As can be seen from Table 6, in Examples 31 to 36 in which a Ru alloy nonmagnetic intermediate layer was provided and the in-plane magnetization film was multilayered, the nonmagnetic intermediate layer was not provided and the in-plane magnetization film was a single layer. As compared with Example 24, the coercive force Hc is improved by about 11% or more. On the other hand, the residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area is substantially the same as that of Example 24 (the in-plane magnetization film is a single layer).
したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を、Ru合金非磁性中間層によって多層化することにより、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を維持したまま、保磁力Hcを11%程度以上向上させることができると考えられる。Therefore, by multilayering the CoPt-oxide-based in-plane magnetized film with Ru alloy non-magnetic intermediate layers, the coercive force Hc can be reduced to 11 while maintaining the remanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area. % or more.
また、Ru合金非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例31~36においては、Ru合金非磁性中間層の厚さが0.3~3.0nmの範囲で変化しているが、保磁力Hc(kOe)および単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)は、ほぼ同等である。Further, in Examples 31 to 36 in which the Ru alloy nonmagnetic intermediate layer was provided and the in-plane magnetization film was multi-layered, the thickness of the Ru alloy nonmagnetic intermediate layer varied within the range of 0.3 to 3.0 nm. However, the coercive force Hc (kOe) and remanent magnetization Mrt per unit area (memu/cm 2 ) are almost the same.
したがって、Ru合金非磁性中間層の厚さは、0.3~3.0nmの範囲であれば、多層化したCoPt-酸化物系の面内磁化膜への効果(保磁力Hcおよび残留磁化Mrtの点での効果)は同等であると考えられる。 Therefore, if the thickness of the Ru alloy nonmagnetic intermediate layer is in the range of 0.3 to 3.0 nm, the effect (coercive force Hc and remanent magnetization Mrt ) are considered to be equivalent.
なお、非磁性中間層が金属Ru非磁性中間層である実施例25~30の保磁力Hcと、非磁性中間層がRu合金非磁性中間層である実施例31~36の保磁力Hcとを比べると、差はわずかであるが、非磁性中間層が金属Ru非磁性中間層である実施例25~30の保磁力Hcの方が大きいことが、表5および表6から読み取れるので、非磁性中間層としては、金属Ru非磁性中間層の方がRu合金非磁性中間層よりも適していると考えられる。 The coercive forces Hc of Examples 25 to 30 in which the nonmagnetic intermediate layer is a metal Ru nonmagnetic intermediate layer and the coercive forces Hc in Examples 31 to 36 in which the nonmagnetic intermediate layer is a Ru alloy nonmagnetic intermediate layer are compared. Although the difference is slight, it can be read from Tables 5 and 6 that the coercive force Hc of Examples 25 to 30, in which the nonmagnetic intermediate layer is a metal Ru nonmagnetic intermediate layer, is larger. As an intermediate layer, a metal Ru non-magnetic intermediate layer is considered more suitable than a Ru alloy non-magnetic intermediate layer.
<(G)非磁性中間層(金属Cr単体からなるスパッタリングターゲットを用いて作製した非磁性中間層)によるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の多層化についての検討(実施例24、比較例10~15)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さ方向の中間位置に、金属Cr単体からなるスパッタリングターゲットを用いて作製した非磁性中間層(以下、金属Cr非磁性中間層と記すことがある。)を設けて、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を多層化(2層化)させて実験データを取得した。その際、設ける非磁性中間層の厚さを0nmから3.0nmの範囲で変化させてデータの取得を行った。具体的には以下の通りである。<(G) Investigation of multi-layering of CoPt-oxide-based in-plane magnetization film by non-magnetic intermediate layer (non-magnetic intermediate layer produced using sputtering target made of metal Cr alone) (Example 24, Comparative example 10-15)>
A non-magnetic intermediate layer (hereafter referred to as metal Cr non-magnetic An intermediate layer is sometimes referred to as an intermediate layer), and the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film is multi-layered (two-layered) to obtain experimental data. At that time, data was obtained while changing the thickness of the provided non-magnetic intermediate layer in the range of 0 nm to 3.0 nm. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した後、その上に金属Cr非磁性中間層を形成し、さらにその上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜をスパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成した。この成膜過程では基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。 After forming a Ru underlayer to a thickness of 30 nm on a Si substrate by sputtering, and forming a CoPt-oxide-based in-plane magnetization film thereon by sputtering to a thickness of 30 nm. , a metal Cr non-magnetic intermediate layer was formed thereon, and a CoPt-oxide based in-plane magnetization film was formed thereon by a sputtering method to a thickness of 30 nm. In this film forming process, the substrate was not heated, and the film was formed at room temperature.
金属Cr非磁性中間層の厚さを、0nm、0.3nm、0.6nm、1.2nm、1.8nm、2.4nm、3.0nmと変化させてサンプルを作製し、データを取得した。 Samples were prepared by changing the thickness of the metal Cr non-magnetic intermediate layer to 0 nm, 0.3 nm, 0.6 nm, 1.2 nm, 1.8 nm, 2.4 nm, and 3.0 nm, and data were obtained.
作製した多層化サンプルのヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の保磁力Hc(kOe)および単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、作製した多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の合計の膜厚60nmを、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)に乗じて、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表7に示す。なお、実施例24は、非磁性中間層を設けていない実施例であり、非磁性中間層を設けて面内磁化膜を多層化した比較例10~15と対比するための参考実施例という位置づけの実施例である。The hysteresis loop of the produced multilayered sample was measured with a vibrating magnetometer. From the measured hysteresis loop, the coercive force Hc (kOe) of the in-plane magnetized film contained in the multilayered sample and the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume were read. Then, by multiplying the total film thickness of 60 nm of the in-plane magnetized films included in the manufactured multilayered sample by the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume of the in-plane magnetized films included in the multilayered sample, The residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area of the in-plane magnetized film included in the multilayer sample was calculated. The results are shown in Table 7 below. Note that Example 24 is an example in which no non-magnetic intermediate layer is provided, and is positioned as a reference example for comparison with Comparative Examples 10 to 15 in which a non-magnetic intermediate layer is provided and the in-plane magnetization film is multi-layered. is an embodiment of
表7からわかるように、金属Cr非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った比較例10~15は、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcがいずれも50%以上減少している。一方、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)は、実施例24(面内磁化膜が単層)と比べて、49%程度以上増加している。As can be seen from Table 7, in Comparative Examples 10 to 15, in which a metal Cr nonmagnetic intermediate layer was provided and the in-plane magnetization film was multi-layered, the nonmagnetic intermediate layer was not provided and the in-plane magnetization film was a single layer. Compared with Example 24, the coercive force Hc is reduced by 50% or more. On the other hand, the residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area is increased by about 49% or more compared to Example 24 (the in-plane magnetization film is a single layer).
したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を、金属Cr非磁性中間層によって多層化することにより、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を49%程度以上増大させることができる一方、保磁力Hcは50%以上減少してしまうと考えられる。Therefore, by multilayering a CoPt-oxide-based in-plane magnetized film with a metal Cr non-magnetic intermediate layer, the remanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area can be increased by about 49% or more. On the other hand, the coercive force Hc is considered to decrease by 50% or more.
また、金属Cr非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った比較例10~15においては、金属Cr非磁性中間層の厚さが0.3~3.0nmの範囲で変化しているが、保磁力Hc(kOe)および単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)は、ほぼ同等である。In addition, in Comparative Examples 10 to 15 in which the metal Cr nonmagnetic intermediate layer was provided and the in-plane magnetization film was multi-layered, the thickness of the metal Cr nonmagnetic intermediate layer varied in the range of 0.3 to 3.0 nm. However, the coercive force Hc (kOe) and remanent magnetization Mrt per unit area (memu/cm 2 ) are almost the same.
したがって、金属Cr非磁性中間層の厚さは、0.3~3.0nmの範囲であれば、多層化したCoPt-酸化物系の面内磁化膜への効果(保磁力Hcおよび残留磁化Mrtの点での効果)は同等であると考えられる。 Therefore, if the thickness of the metallic Cr non-magnetic intermediate layer is in the range of 0.3 to 3.0 nm, the effect (coercive force Hc and remanent magnetization Mrt ) are considered to be equivalent.
以上説明したように、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を金属Ru非磁性中間層で多層化した場合は、実施例25~30に示すように、実施例24(面内磁化膜が単層)と比べて保磁力Hcが15%程度以上向上し、Ru合金非磁性中間層で多層化した場合は、実施例31~36に示すように、実施例24(面内磁化膜が単層)と比べて保磁力Hcが11%程度以上向上しているが、金属Cr非磁性中間層で多層化した場合は、比較例10~15に示すように、実施例24(面内磁化膜が単層)と比べて保磁力Hcが50%以上減少している。この理由は、金属RuおよびRu-25Cr-25Co合金の結晶構造は、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の磁性粒子(CoPt合金粒子)と同じ結晶構造である六方最密充填構造hcpであるのに対し、金属Crの結晶構造は、体心立方構造bccであるためと考えられる。 As described above, when the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film is multi-layered with the metal Ru non-magnetic intermediate layer, as shown in Examples 25 to 30, Example 24 (the in-plane magnetization film is a single The coercive force Hc is improved by about 15% or more compared to the non-magnetic intermediate layer), and when the Ru alloy nonmagnetic intermediate layer is multilayered, as shown in Examples 31 to 36, Example 24 (the in-plane magnetized film is a single layer ), the coercive force Hc is improved by about 11% or more. The coercive force Hc is reduced by 50% or more compared to the single layer). The reason for this is that the crystal structure of metal Ru and Ru-25Cr-25Co alloy is a hexagonal close-packed structure hcp, which is the same crystal structure as the magnetic grains (CoPt alloy grains) of the in-plane magnetic film of the CoPt-oxide system. On the other hand, it is considered that the crystal structure of metal Cr is a body-centered cubic structure bcc.
<(H)非磁性中間層(金属Ru単体層)によるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の多層化における面内磁化膜1層の厚さの検討(実施例24、37~40)>
Ru下地膜の上に形成するCoPt-酸化物系の面内磁化膜を、厚さ方向に2等分、4等分、6等分、12等分する位置に、厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層を設けて、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の合計の厚さが60nmとなるように、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を多層化させて実験データを取得した。具体的には以下の通りである。<(H) Investigation of thickness of one in-plane magnetized film in multi-layering of CoPt-oxide-based in-plane magnetized film by non-magnetic intermediate layer (metal Ru single layer) (Examples 24, 37 to 40)>
2.0 nm-thick metal was applied to the positions where the CoPt-oxide in-plane magnetization film formed on the Ru underlayer was divided into 2, 4, 6, and 12 equal parts in the thickness direction. An Ru non-magnetic intermediate layer was provided, and the CoPt-oxide-based in-plane magnetization films were multi-layered so that the total thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization films was 60 nm, and experimental data was obtained. bottom. Specifically, it is as follows.
Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが30nmとなるようにスパッタリング法により形成した後、その上に厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、さらにその上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが30nmとなるようにスパッタリング法により形成して、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の合計の厚さが60nmとなるように形成した(実施例37)。 A Ru underlayer was formed on a Si substrate by a sputtering method to a thickness of 30 nm, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film was formed thereon by a sputtering method to a thickness of 30 nm. After that, a metal Ru nonmagnetic intermediate layer with a thickness of 2.0 nm is formed thereon by sputtering, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is formed thereon by sputtering so that the thickness is 30 nm. The total thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film was 60 nm (Example 37).
また、Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが15nmとなるようにスパッタリング法により形成した後、その上に厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、さらにその上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが15nmとなるようにスパッタリング法により形成した後、その上に厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の合計の厚さが60nmとなるまで同様に成膜を繰り返して、厚さ15nmのCoPt-酸化物系の面内磁化膜が4層積み重ねられた多層化サンプルを作製した(実施例38)。 A Ru underlayer was formed on the Si substrate by sputtering to a thickness of 30 nm, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film was formed thereon by sputtering to a thickness of 15 nm. After the formation, a metal Ru non-magnetic intermediate layer with a thickness of 2.0 nm is formed thereon by sputtering, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is formed thereon by sputtering so as to have a thickness of 15 nm. Then, a metal Ru nonmagnetic intermediate layer with a thickness of 2.0 nm is formed thereon by a sputtering method, and in the same manner until the total thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film reaches 60 nm. By repeating the film formation, a multi-layered sample in which four CoPt-oxide in-plane magnetic films with a thickness of 15 nm were laminated was manufactured (Example 38).
また、Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが10nmとなるようにスパッタリング法により形成した後、その上に厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、さらにその上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが10nmとなるようにスパッタリング法により形成した後、その上に厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の合計の厚さが60nmとなるまで同様に成膜を繰り返して、厚さ10nmのCoPt-酸化物系の面内磁化膜が6層積み重ねられた多層化サンプルを作製した(実施例39)。 On the Si substrate, a Ru underlayer was formed to a thickness of 30 nm by sputtering, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film was formed thereon by sputtering to a thickness of 10 nm. After the formation, a metal Ru nonmagnetic intermediate layer with a thickness of 2.0 nm is formed thereon by sputtering, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is formed thereon by sputtering so as to have a thickness of 10 nm. Then, a metal Ru nonmagnetic intermediate layer with a thickness of 2.0 nm is formed thereon by a sputtering method, and in the same manner until the total thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film reaches 60 nm. By repeating film formation, a multi-layered sample in which six CoPt-oxide-based in-plane magnetic films with a thickness of 10 nm were laminated was manufactured (Example 39).
また、Si基板上に、Ru下地膜を、スパッタリング法により厚さ30nmとなるように形成し、その上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが5nmとなるようにスパッタリング法により形成した後、その上に厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、さらにその上にCoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが5nmとなるようにスパッタリング法により形成した後、その上に厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層をスパッタリング法により形成し、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の合計の厚さが60nmとなるまで同様に成膜を繰り返して、厚さ5nmのCoPt-酸化物系の面内磁化膜が12層積み重ねられた多層化サンプルを作製した(実施例40)。 On the Si substrate, a Ru underlayer was formed to a thickness of 30 nm by sputtering, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film was formed thereon by sputtering to a thickness of 5 nm. After the formation, a metal Ru non-magnetic intermediate layer with a thickness of 2.0 nm is formed thereon by sputtering, and a CoPt-oxide-based in-plane magnetic film is formed thereon by sputtering so as to have a thickness of 5 nm. Then, a metal Ru nonmagnetic intermediate layer with a thickness of 2.0 nm is formed thereon by a sputtering method, and in the same manner until the total thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetic film reaches 60 nm. By repeating the film formation, a multi-layered sample in which 12 in-plane magnetized CoPt-oxide films with a thickness of 5 nm were laminated was manufactured (Example 40).
これらの成膜過程では基板加熱を行っておらず、いずれも室温成膜で行った。 In these film formation processes, the substrate was not heated, and film formation was carried out at room temperature.
作製した多層化サンプルのヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の保磁力Hc(kOe)および単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)を読み取った。そして、作製した多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の合計の膜厚60nmを、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化Mr(memu/cm3)に乗じて、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を算出した。それらの結果を、次の表8に示す。なお、実施例24は、非磁性中間層を設けていない実施例であり、非磁性中間層を設けて面内磁化膜を多層化した実施例37~40と対比するための参考実施例という位置づけの実施例である。The hysteresis loop of the produced multilayered sample was measured with a vibrating magnetometer. From the measured hysteresis loop, the coercive force Hc (kOe) of the in-plane magnetized film contained in the multilayered sample and the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume were read. Then, by multiplying the total film thickness of 60 nm of the in-plane magnetized films included in the manufactured multilayered sample by the residual magnetization Mr (memu/cm 3 ) per unit volume of the in-plane magnetized films included in the multilayered sample, The residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area of the in-plane magnetized film included in the multilayer sample was calculated. The results are shown in Table 8 below. Note that Example 24 is an example in which no nonmagnetic intermediate layer is provided, and is positioned as a reference example for comparison with Examples 37 to 40 in which a nonmagnetic intermediate layer is provided and the in-plane magnetization film is multi-layered. is an embodiment of
表8からわかるように、金属Ru非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例37~40は、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcがいずれも13%程度以上向上している。一方、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)は、実施例24(面内磁化膜が単層)とほぼ同等である。As can be seen from Table 8, in Examples 37 to 40 in which a metallic Ru non-magnetic intermediate layer was provided and the in-plane magnetization film was multi-layered, the non-magnetic intermediate layer was not provided and the in-plane magnetization film was a single layer. As compared with Example 24, the coercive force Hc is improved by about 13% or more. On the other hand, the residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area is substantially the same as that of Example 24 (the in-plane magnetization film is a single layer).
したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜を、金属Ru非磁性中間層によって多層化することにより、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を維持したまま、保磁力Hcを13%程度以上向上させることができると考えられる。Therefore, by multilayering a CoPt-oxide-based in-plane magnetized film with a metal Ru nonmagnetic intermediate layer, the coercive force Hc can be reduced to 13 while maintaining the remanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area. % or more.
また、1層当たりの面内磁化膜の厚さが15nmで4層構造の実施例38の保磁力Hcは3.66kOeであり、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcが55%程度向上している。 In addition, the coercive force Hc of Example 38, which has a four-layer structure in which the thickness of the in-plane magnetization film per layer is 15 nm, is 3.66 kOe. The coercive force Hc is improved by about 55% as compared with Example 24.
また、1層当たりの面内磁化膜の厚さが10nmで6層構造の実施例39の保磁力Hcは3.04kOeであり、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcが29%程度向上している。 Further, the coercive force Hc of Example 39, which has a 6-layer structure with the thickness of the in-plane magnetization film per layer being 10 nm, is 3.04 kOe, and the in-plane magnetization film is a single layer without providing a non-magnetic intermediate layer. The coercive force Hc is improved by about 29% as compared with Example 24.
また、1層当たりの面内磁化膜の厚さが30nmで2層構造の実施例37の保磁力Hcは2.76kOeであり、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcが17%程度向上している。 In addition, the coercive force Hc of Example 37, which has a two-layer structure in which the thickness of the in-plane magnetization film per layer is 30 nm, is 2.76 kOe, and the in-plane magnetization film is a single layer without a non-magnetic intermediate layer. The coercive force Hc is improved by about 17% as compared with Example 24.
また、1層当たりの面内磁化膜の厚さが5nmで12層構造の実施例40の保磁力Hcは2.68kOeであり、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例24と比べて、保磁力Hcが14%程度向上している。 Further, the coercive force Hc of Example 40, which has a 12-layer structure in which the thickness of the in-plane magnetization film per layer is 5 nm, is 2.68 kOe. The coercive force Hc is improved by about 14% as compared with Example 24.
したがって、面内磁化膜を複数層にした場合、1層当たりの厚さは5~30nmが好ましく、7.5~25nmがより好ましく、10~20nmが特に好ましい。ただし、実施例9、12~17、比較例7の結果からわかるように、面内磁化膜の総厚(合計の厚さ)が20nmを下回ると、単位面積当たりの残留磁化Mrtの値が2.00memu/cm2を下回るので、面内磁化膜の合計の厚さが20nm以上であることが前提である。Therefore, when the in-plane magnetization film has a plurality of layers, the thickness of each layer is preferably 5 to 30 nm, more preferably 7.5 to 25 nm, and particularly preferably 10 to 20 nm. However, as can be seen from the results of Examples 9, 12 to 17, and Comparative Example 7, when the total thickness (total thickness) of the in-plane magnetized films is less than 20 nm, the remanent magnetization Mrt per unit area decreases by 2. Since it is less than 0.00 memu/cm 2 , it is premised that the total thickness of the in-plane magnetic films is 20 nm or more.
<(I)非磁性中間層(金属Ru単体層)によるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の多層化における面内磁化膜1層の厚さの追加検討および面内磁化膜多層構造における面内磁化膜の総厚についての検討(実施例41~53、比較例16、17)>
前段落に記載したように、面内磁化膜を複数層にした場合、保磁力Hcの観点から、1層当たりの厚さは5~30nmが好ましく、7.5~25nmがより好ましく、10~20nmが特に好ましい。この点をさらに検討するため、金属Ru非磁性中間層によるCoPt-酸化物系の面内磁化膜の多層化における面内磁化膜1層の厚さの追加検討を行った。また、前記(H)における面内磁化膜多層構造についての検討では、面内磁化膜の総厚が60nmの実施例のみであったので、面内磁化膜の総厚を30nm、100nmにした面内磁化膜多層構造についても検討した。また、面内磁化膜の総厚を100nmにした面内磁化膜多層構造においては、面内磁化膜における酸化物(WO3)の含有量を31.0vol%にした場合と10.1vol%にした場合について検討した。<(I) Additional examination of the thickness of one in-plane magnetization film in the multi-layering of the CoPt-oxide in-plane magnetization film by the non-magnetic intermediate layer (metal Ru single layer) and the plane in the in-plane magnetization film multi-layer structure Examination of Total Thickness of Internal Magnetization Film (Examples 41 to 53, Comparative Examples 16 and 17)>
As described in the previous paragraph, when the in-plane magnetization film is formed into multiple layers, the thickness of each layer is preferably 5 to 30 nm, more preferably 7.5 to 25 nm, more preferably 7.5 to 25 nm, from the viewpoint of coercive force Hc. 20 nm is particularly preferred. In order to further investigate this point, an additional study was conducted on the thickness of one layer of the in-plane magnetization film in the multi-layering of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film by the metallic Ru non-magnetic intermediate layer. In addition, in the examination of the in-plane magnetization film multilayer structure in (H) above, only the example in which the total thickness of the in-plane magnetization film was 60 nm was used. A multi-layered structure of the inner magnetization film was also investigated. Further, in the in-plane magnetization film multilayer structure in which the total thickness of the in-plane magnetization film is 100 nm, the content of oxide (WO 3 ) in the in-plane magnetization film is 31.0 vol % and 10.1 vol %. We considered the case where
非磁性中間層としては、前記(H)と同様に、厚さ2.0nmの金属Ru非磁性中間層を設けて、各面内磁化膜多層構造を作製した。また、前記(H)と同様に、成膜過程では基板加熱を行っておらず、いずれも室温成膜で行った。 As the non-magnetic intermediate layer, a metal Ru non-magnetic intermediate layer having a thickness of 2.0 nm was provided in the same manner as in (H) above, and each in-plane magnetic film multilayer structure was produced. As in the case of (H) above, the substrate was not heated during the film formation process, and the films were all formed at room temperature.
各面内磁化膜多層構造の作製における具体的な手順は、前記(H)と同様に行った。また、多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の保磁力Hc(kOe)の測定および多層化サンプルに含まれる面内磁化膜の単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)の測定も、前記(H)と同様に行った。The specific procedure for fabricating each in-plane magnetic film multilayer structure was the same as in (H) above. Measurement of the coercive force Hc (kOe) of the in-plane magnetization film included in the multilayer sample and measurement of the residual magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area of the in-plane magnetization film included in the multilayer sample were also carried out. It was carried out in the same manner as in (H) above.
それらの測定結果を、次の表9~11に示す。表9は面内磁化膜の総厚が30nmの場合についての測定結果であり、表10は面内磁化膜の総厚が100nm、面内磁化膜の酸化物(WO3)含有量が31.0vol%の場合についての測定結果であり、表11は面内磁化膜の総厚が100nm、面内磁化膜の酸化物(WO3)含有量が10.1vol%の場合についての測定結果である。The results of these measurements are shown in Tables 9-11 below. Table 9 shows the measurement results when the total thickness of the in-plane magnetization film is 30 nm. Table 11 shows the measurement results when the total thickness of the in-plane magnetization film is 100 nm and the oxide (WO 3 ) content of the in-plane magnetization film is 10.1 vol%. .
表9からわかるように、金属Ru非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例41~43(面内磁化膜の合計厚さは30nm)は、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の実施例10と比べて、保磁力Hcが3~11%程度向上している。一方、単位面積当たりの残留磁化Mrtは、実施例10(面内磁化膜が単層)とほぼ同等である。 As can be seen from Table 9, in Examples 41 to 43 (the total thickness of the in-plane magnetization films is 30 nm) in which a metallic Ru non-magnetic intermediate layer was provided to form a multi-layered in-plane magnetization film, the non-magnetic intermediate layer was The coercive force Hc is improved by about 3 to 11% as compared with Example 10 in which the in-plane magnetization film is a single layer without any provision. On the other hand, the residual magnetization Mrt per unit area is substantially the same as in Example 10 (the in-plane magnetization film is a single layer).
したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが30nmの場合、金属Ru非磁性中間層によって多層化することにより、単位面積当たりの残留磁化Mrtを維持したまま、保磁力Hcを3~11%程度向上させることができると考えられる。 Therefore, when the thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetized film is 30 nm, the coercive force Hc can be reduced to 3 while maintaining the remanent magnetization Mrt per unit area by multilayering the metal Ru non-magnetic intermediate layer. It is considered that the improvement can be made by about 11%.
また、表10からわかるように、金属Ru非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例44~48(面内磁化膜の合計厚さが100nmで、面内磁化膜の酸化物(WO3)含有量が31.0vol%)は、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の比較例16と比べて、保磁力Hcが2倍以上に向上している。一方、単位面積当たりの残留磁化Mrtは、比較例16(面内磁化膜が単層)とほぼ同等か、最大でも12%小さくなる程度である。Further, as can be seen from Table 10, Examples 44 to 48 (total thickness of the in-plane magnetized films is 100 nm and oxide (WO 3 ) content is 31.0 vol%), the coercive force Hc is more than doubled compared to Comparative Example 16 in which the non-magnetic intermediate layer is not provided and the in-plane magnetization film is a single layer. are doing. On the other hand, the remanent magnetization Mrt per unit area is approximately the same as that of Comparative Example 16 (in which the in-plane magnetization film is a single layer), or is at most 12% smaller.
したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが100nmで、その酸化物(WO3)含有量が31.0vol%である場合、金属Ru非磁性中間層によって多層化することにより、単位面積当たりの残留磁化Mrtをほぼ維持したまま、保磁力Hcを2倍以上に向上させることができると考えられる。Therefore, when the thickness of the CoPt-oxide system in-plane magnetization film is 100 nm and the oxide (WO 3 ) content is 31.0 vol %, multi-layering with a metal Ru non-magnetic intermediate layer yields It is believed that the coercive force Hc can be improved by a factor of two or more while maintaining the remanent magnetization Mrt per unit area.
また、表11からわかるように、金属Ru非磁性中間層を設けて面内磁化膜の多層化を行った実施例49~53(面内磁化膜の合計厚さが100nmで、面内磁化膜の酸化物(WO3)含有量が10.1vol%)は、非磁性中間層を設けておらず面内磁化膜が単層の比較例17と比べて、保磁力Hcが2倍以上に向上している。一方、単位面積当たりの残留磁化Mrtは、比較例17(面内磁化膜が単層)とほぼ同等か、最大でも12%小さくなる程度である。Further, as can be seen from Table 11, Examples 49 to 53 (total thickness of the in-plane magnetized films is 100 nm and oxide (WO 3 ) content is 10.1 vol%), the coercive force Hc is more than doubled compared to Comparative Example 17 in which the non-magnetic intermediate layer is not provided and the in-plane magnetization film is a single layer. are doing. On the other hand, the residual magnetization Mrt per unit area is approximately the same as that of Comparative Example 17 (in which the in-plane magnetization film is a single layer), or is 12% smaller at maximum.
したがって、CoPt-酸化物系の面内磁化膜の厚さが100nmで、その酸化物(WO3)含有量が10.1vol%の場合、金属Ru非磁性中間層によって多層化することにより、単位面積当たりの残留磁化Mrtをほぼ維持したまま、保磁力Hcを2倍以上に向上させることができると考えられる。Therefore, when the thickness of the CoPt-oxide-based in-plane magnetization film is 100 nm and the oxide (WO 3 ) content is 10.1 vol %, the unit It is believed that the coercive force Hc can be improved by a factor of two or more while the remanent magnetization Mrt per area is substantially maintained.
また、面内磁化膜の合計厚さが30nmである実施例41~43は、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を維持しつつ保持力を向上させる観点において、いずれも良好であるが、その中でも、実施例41(面内磁化膜の1層の厚さが15nm)および実施例42(面内磁化膜の1層の厚さが10nm)が特に良好である。In addition, Examples 41 to 43, in which the total thickness of the in-plane magnetized films is 30 nm, are all favorable from the viewpoint of improving the coercive force while maintaining the remanent magnetization Mrt (memu/cm 2 ) per unit area. Among them, Example 41 (the thickness of one layer of the in-plane magnetization film is 15 nm) and Example 42 (the thickness of one layer of the in-plane magnetization film is 10 nm) are particularly good.
面内磁化膜の合計厚さが100nmで、その酸化物(WO3)含有量が31.0vol%である実施例44~48は、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を維持しつつ保持力を向上させる観点において、いずれも良好であるが、その中でも、実施例45(面内磁化膜の1層の厚さが25nm)、実施例46(面内磁化膜の1層の厚さが12.5nm)および実施例47(面内磁化膜の1層の厚さが10nm)がより良好であり、実施例46および実施例47が特に良好である。Examples 44-48 with a total in-plane magnetization film thickness of 100 nm and an oxide (WO 3 ) content of 31.0 vol% maintained remanent magnetization per unit area Mrt (memu/cm 2 ). From the viewpoint of improving the coercive force while increasing the coercive force, both are favorable. 12.5 nm in thickness) and Example 47 (the thickness of one layer of the in-plane magnetization film is 10 nm), and Examples 46 and 47 are particularly good.
面内磁化膜の合計厚さが100nmで、その酸化物(WO3)含有量が10.1vol%である実施例49~53は、単位面積当たりの残留磁化Mrt(memu/cm2)を維持しつつ保持力を向上させる観点において、いずれも良好であるが、その中でも、実施例50(面内磁化膜の1層の厚さが25nm)、実施例51(面内磁化膜の1層の厚さが12.5nm)および実施例52(面内磁化膜の1層の厚さが10nm)がより良好であり、実施例51および実施例52が特に良好である。Examples 49-53 with a total thickness of the in-plane magnetized film of 100 nm and an oxide (WO 3 ) content of 10.1 vol. From the viewpoint of improving the coercive force while increasing the coercive force, both are favorable. 12.5 nm in thickness) and Example 52 (the thickness of one layer of the in-plane magnetization film is 10 nm), and Examples 51 and 52 are particularly good.
したがって、前記(H)で記載した「面内磁化膜を複数層にした場合、保磁力Hcの観点から、1層当たりの厚さは5~30nmが好ましく、7.5~25nmがより好ましく、10~20nmが特に好ましい」点は、実施例41~53の結果からも裏付けられた。 Therefore, when the in-plane magnetization film is formed into a plurality of layers described in (H) above, the thickness of each layer is preferably 5 to 30 nm, more preferably 7.5 to 25 nm, from the viewpoint of the coercive force Hc. 10 to 20 nm is particularly preferable” point was also supported by the results of Examples 41 to 53.
また、実施例41~43の結果から、面内磁化膜の合計厚さが30nmである場合について、面内磁化膜の多層化の効果を確認することができた。実施例44~53の結果から、面内磁化膜の合計厚さが100nmである場合について、面内磁化膜の多層化の効果を確認することができた。 Further, from the results of Examples 41 to 43, it was possible to confirm the effect of multilayering the in-plane magnetization films when the total thickness of the in-plane magnetization films was 30 nm. From the results of Examples 44 to 53, it was possible to confirm the effect of multilayering the in-plane magnetization films when the total thickness of the in-plane magnetization films was 100 nm.
<(J)面内磁化膜の組成分析(実施例45、47、50、52)>
実施例45、47、50、52の面内磁化膜の組成分析を行った。以下、行った組成分析の手法の手順について概要を説明した後、各手順の内容を具体的に説明する。<(J) Composition Analysis of In-plane Magnetized Films (Examples 45, 47, 50, 52)>
The composition analysis of the in-plane magnetized films of Examples 45, 47, 50 and 52 was performed. Hereinafter, after explaining the outline of the procedure of the method of the composition analysis performed, the contents of each procedure will be specifically explained.
[手順の概要]面内磁化膜の厚さ方向に組成分析のための線分析を行い、面内磁化膜の厚さ方向断面の線分析実施箇所から、組成の変動の少ない箇所を選び出す(手順1~4)。そして、その組成の変動の少ない箇所に含まれる任意の測定点を中心として、面内磁化膜の面内方向の100nmの範囲(測定点は167点)について組成分析のための線分析を行う(手順5)。そして、検出された元素ごとに、167点の測定点についての検出強度の平均値を算出して、面内磁化膜の組成を決定する(手順6)。以下、手順1~6の内容を具体的に説明する。 [Outline of the procedure] Line analysis for composition analysis is performed in the thickness direction of the in-plane magnetized film, and from the locations where the line analysis is performed in the cross-section in the thickness direction of the in-plane magnetized film, locations with little variation in composition are selected (procedure 1-4). Then, a line analysis for composition analysis is performed for a range of 100 nm in the in-plane direction of the in-plane magnetized film (measurement points: 167 points) centering on an arbitrary measurement point included in a location where the composition has little variation ( Step 5). Then, the average value of the detected intensities at 167 measurement points is calculated for each detected element to determine the composition of the in-plane magnetized film (procedure 6). The contents of steps 1 to 6 will be specifically described below.
[手順1]組成分析の対象となる面内磁化膜を面内方向と直交する方向(面内磁化膜の厚さ方向)に、平行な2面で切断するとともに、得られた2つの平行な切断面の間の距離が100nm程度となるまで、FIB法(μ-サンプリング法)により薄片化処理を行う。この薄片化処理を行った後の薄片化サンプル80の形状を、図3に模式的に示す。図3に示すように、薄片化サンプル80の形状は概ね直方体形状である。前記2つの平行な切断面の間の距離が100nm程度であり、直方体形状の薄片化サンプル80の面内方向の1辺の長さは100nm程度であるが、他の2辺の長さは、走査透過電子顕微鏡による観察が可能であれば、適宜に定めてよい。
[Procedure 1] An in-plane magnetized film to be subjected to composition analysis is cut along two parallel planes in a direction perpendicular to the in-plane direction (thickness direction of the in-plane magnetized film), and the obtained two parallel Thinning is performed by the FIB method (μ-sampling method) until the distance between the cut surfaces is about 100 nm. FIG. 3 schematically shows the shape of the thinned
[手順2]手順1で得られた薄片化サンプル80の切断面(面内磁化膜の厚さ方向の切断面)を、100nmの長さを2cmまで拡大観察可能な(20万倍まで拡大観察可能な)走査透過電子顕微鏡を用いて撮像し、観察像を取得する。得られる観察像は長方形であるが、観察対象の面内磁化膜の最上面と切断面(面内磁化膜の厚さ方向の切断面)とが交わる部位の線が、長方形の観察像の長手方向になるように撮像する。得られた観察像の一例(実施例45の観察像)を図4に示す。面内磁化膜の観察像の取得においては、株式会社日立ハイテクノロジーズ製HD-2700を用いた。
[Procedure 2] The cut surface of the thinned
[手順3]手順2で得られた観察像から、面内磁化膜に含まれる任意の点を選び(図4において黒丸82で示す)、その点から、観察像の長手方向に左右10nmの位置に点をそれぞれ付す(図4において白丸84で示す)。そして、黒丸82の点を通るように面内磁化膜の厚さ方向に、元素分析のための線分析を行うとともに、白丸84の点を通るように面内磁化膜の厚さ方向に、元素分析のための線分析を行って、3つの直線(黒丸の点を通る厚さ方向の1つの直線および白丸の点を通る厚さ方向の2つの直線)について、面内磁化膜の厚さ方向に元素分析のための線分析を行う。この元素分析のための線分析を行うに際し、前記3直線の線分析の走査範囲を、面内磁化膜の厚さ方向の全範囲(組成分析の対象が面内磁化膜多層構造の場合は、最上層の面内磁化膜から最下層の面内磁化膜までの全範囲)とすることができるように、1つの黒丸82の点および2つの白丸84の点を選び出すことが必要である。
[Procedure 3] An arbitrary point included in the in-plane magnetized film is selected from the observation image obtained in Procedure 2 (indicated by a
面内磁化膜の組成分析においては、元素分析手法としてエネルギー分散型X線分析法(EDX)を採用し、元素分析装置として株式会社堀場製作所製EMAX Evolutionを用いた。そして、具体的な分析条件を次のようにした。即ち、X線検出器をSiドリフト検出器とし、X線取出角を24.8°とし、立体角を約2.2srとし、各元素に応じ一般的に適切な分光結晶を用い、測定時間2秒/点とし、走査点間隔を0.6nmとし、照射ビーム径を約0.2nmφとした。以下、本段落に記載の条件を、「手順3の分析条件」と記すことがある。 In the composition analysis of the in-plane magnetic film, energy dispersive X-ray analysis (EDX) was adopted as an elemental analysis method, and EMAX Evolution manufactured by Horiba, Ltd. was used as an elemental analysis apparatus. Then, the specific analysis conditions were as follows. That is, the X-ray detector is a Si drift detector, the X-ray extraction angle is 24.8°, the solid angle is about 2.2 sr, a generally appropriate analyzing crystal is used for each element, and the measurement time is 2. Second/point, the scanning point interval was 0.6 nm, and the irradiation beam diameter was about 0.2 nmφ. Hereinafter, the conditions described in this paragraph may be referred to as "analysis conditions of procedure 3".
図4(実施例45の観察像)中の黒線(黒丸の点を通る面内磁化膜の厚さ方向の線)に沿って行った線分析(元素分析)の結果を図5に示す。図5において、縦軸は各元素についての検出強度、横軸は走査位置である。図5内の凡例に示す各元素は、十分な検出強度を確認できた元素であり、この実施例45の場合、十分な検出強度を確認できた元素は、Co、Pt、W、O、Ruであった。また、この実施例45の組成分析においては、Co、Oの検出にはKα1線を選択し、Pt、Ru、Wの検出にはLα1線を選択した。また、各検出強度においては、事前に測定したブランク測定における検出強度を差し引く補正を施した。図4の線分析の最終端(最下端)は、Si基板である。この箇所は理論上Siおよび表面酸化によるO以外は検出されない。そのため、この箇所で検出されたSi、O以外の検出値は当該装置における不可避な検出誤差値と考えられるので、この値より検出強度が大きな値を示した場合にのみ、当該元素の存在を示すものとした。 FIG. 5 shows the result of line analysis (elemental analysis) performed along the black line (the line in the thickness direction of the in-plane magnetized film passing through the dots of the black circles) in FIG. 4 (observed image of Example 45). In FIG. 5, the vertical axis is the detected intensity for each element, and the horizontal axis is the scanning position. Each element shown in the legend in FIG. 5 is an element for which sufficient detection intensity could be confirmed, and in the case of this Example 45, the elements for which sufficient detection intensity could be confirmed are Co, Pt, W, O, Ru Met. In the composition analysis of Example 45, the Kα1 ray was selected for Co and O detection, and the Lα1 ray was selected for Pt, Ru and W detection. Further, each detected intensity was corrected by subtracting the previously measured blank measurement intensity. The final end (bottom end) of the line analysis in FIG. 4 is the Si substrate. Theoretically, only Si and O due to surface oxidation are detected at this location. Therefore, the detected values other than Si and O detected at this point are considered to be unavoidable detection error values in the device. I assumed.
実施例45は面内磁化膜多層構造であり、組成が(Co-20Pt)-30vol%WO3であるスパッタリングターゲットを用いて、1層あたりの厚さが25nmである面内磁化膜を成膜するととともに、その面内磁化膜の間に位置するように、金属Ru非磁性中間層を、面内磁化膜の層間に2nmずつ設ける成膜を行った。金属Ru非磁性中間層の成膜に際しては、組成が100at%Ruであるスパッタリングターゲットを用いた。Example 45 has an in-plane magnetization film multilayer structure, and uses a sputtering target with a composition of (Co-20Pt)-30 vol% WO 3 to form an in-plane magnetization film with a thickness of 25 nm per layer. At the same time, metal Ru non-magnetic intermediate layers were formed between the in-plane magnetized films by 2 nm each so as to be positioned between the in-plane magnetized films. A sputtering target having a composition of 100 at % Ru was used for the deposition of the metal Ru non-magnetic intermediate layer.
図5に示す線分析の結果からわかるように、面内磁化膜においては主にCo、Pt、W、Oが確認され、非磁性中間層においては主にRuが確認された。金属Ru非磁性中間層においては面内磁化膜の構成元素に基づく検出強度が一部確認されるが、これは、成膜中におけるスパッタ熱によって、上下に隣り合う各層の元素が僅かに拡散しているためである。しかしながら、面内磁化膜および非磁性中間層の各主要元素の分布をみる限り、おおよそ設計した通りの成膜が行われていることが確認できた。 As can be seen from the line analysis results shown in FIG. 5, mainly Co, Pt, W and O were confirmed in the in-plane magnetic film, and mainly Ru was confirmed in the non-magnetic intermediate layer. In the metal Ru non-magnetic intermediate layer, the detection intensity based on the constituent elements of the in-plane magnetic film is partially confirmed. This is because However, as far as the distribution of each main element in the in-plane magnetized film and the non-magnetic intermediate layer was observed, it was confirmed that the films were formed roughly as designed.
[手順4]手順3で行った線分析(面内磁化膜の厚さ方向に元素分析のために行った線分析)の結果から、組成の変動の少ない測定点の集合箇所を選び出す。組成の変動の少ない測定点の集合箇所は、次の条件a~cを満たす測定点の集合箇所のことである。 [Procedure 4] From the results of the line analysis (line analysis performed for elemental analysis in the thickness direction of the in-plane magnetized film) performed in Procedure 3, select a collection point of measurement points with little variation in composition. A collection point of measurement points with little variation in composition is a collection point of measurement points that satisfies the following conditions a to c.
条件a) 手順3で行った3つの直線の線分析のうちのいずれかについての測定点であって、CoおよびPtの検出強度の合計が1000カウントを超える測定点であること。 Condition a) A measurement point for any of the three linear line analyzes performed in procedure 3, where the total detected intensity of Co and Pt exceeds 1000 counts.
条件b)当該測定点でのCoおよびPtの検出強度の合計をXカウント、当該測定点での測定を行った後の次の測定点(当該測定点から0.6nm下方に離れて隣り合う測定点)でのCoおよびPtの検出強度の合計をYカウントとしたとき、
Y/X-1<0.05
を満たすこと。Condition b) The sum of the detected intensities of Co and Pt at the measurement point is X count, and the next measurement point after the measurement at the measurement point (measurement adjacent to the measurement point at a distance of 0.6 nm below the measurement point) When the sum of the detected intensities of Co and Pt at the point) is taken as Y count,
Y/X−1<0.05
to meet
条件c)条件aおよびbを満たす5点以上の連続する測定点であること。 Condition c) Five or more consecutive measurement points that satisfy conditions a and b.
条件a~cを満たす測定点の集合箇所は、5点以上の連続する測定点であるので、0.6nm×4=2.4nm以上の直線領域となる。したがって、条件a~cを満たす測定点の集合箇所は、2.4nm以上の範囲で、安定してCoおよびPtのうちの少なくともいずれか一方が検出される直線領域である。 A collection point of measurement points satisfying the conditions a to c is a continuous measurement point of 5 or more points, and thus becomes a linear area of 0.6 nm×4=2.4 nm or more. Therefore, the gathering point of the measurement points satisfying the conditions a to c is a linear region where at least one of Co and Pt is stably detected in the range of 2.4 nm or more.
[手順5]手順4で選び出した測定点の集合から任意の1つの測定点を選択して、面内磁化膜の組成分析のための基準点とする(図4において二重白丸86で示す)。そして、その基準点を中心として、組成分析を行う面内磁化膜の面内方向(図4の観察像の長手方向)に左右50nmの直線領域(合計で100nmの直線領域であり、図4において白破線88で示す。)について、手順3の分析条件と同様の分析条件で、組成分析を行う。この組成分析では、100nmの直線領域について、線分析を、走査点間隔0.6nmで行うので、合計で167点の測定点における分析結果が得られる。
[Procedure 5] Select an arbitrary measurement point from the set of measurement points selected in Procedure 4 and use it as a reference point for composition analysis of the in-plane magnetized film (indicated by double
[手順6]検出された元素ごとに、167点の測定点についての検出強度(カウント数)の平均値を算出する。検出された各元素の検出強度(カウント数)の平均値の比が、当該面内磁化膜の各元素の組成比となる。 [Procedure 6] Calculate the average value of the detection intensity (number of counts) for the 167 measurement points for each detected element. The ratio of the average values of the detected intensities (number of counts) of each detected element is the composition ratio of each element in the in-plane magnetized film.
なお、EDXにおける分析においては、酸素(O)等の軽元素の蛍光X線が、白金(Pt)等の重元素の蛍光X線に吸収されることは避けられないが、本発明に係る面内磁化膜においては、酸素(O)等の軽元素と白金(Pt)等の重元素とが混在する。このため、酸素(O)に関しては、酸化物として存在する金属(実施例45ではW)が全て適切に酸化した状態(実施例45ではWO3)になっているものとして、当該面内磁化膜の組成を決定した。In the EDX analysis, it is inevitable that the fluorescent X-rays of light elements such as oxygen (O) are absorbed by the fluorescent X-rays of heavy elements such as platinum (Pt). Light elements such as oxygen (O) and heavy elements such as platinum (Pt) are mixed in the inner magnetization film. Therefore, with respect to oxygen (O), the in-plane magnetization film is assumed to be in an appropriately oxidized state (WO 3 in Example 45) of all metals present as oxides (W in Example 45). determined the composition of
また、実施例18では面内磁化膜にホウ素(B)酸化物(B2O3)を用いているが、ホウ素(B)は酸素(O)よりも原子番号の小さい軽元素であるため、EDXにおける分析では検出することができない。このため、実施例18における面内磁化膜の組成は、CoおよびPtの組成比は確定できるが、B2O3の含有量は確定できない。Further, in Example 18, boron (B) oxide (B 2 O 3 ) is used for the in-plane magnetic film. It cannot be detected by analysis in EDX. Therefore, as for the composition of the in-plane magnetic film in Example 18, the composition ratio of Co and Pt can be determined, but the content of B 2 O 3 cannot be determined.
本発明に係る面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲットは、保磁力Hcが2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Mrtが2.00memu/cm2以上であるという磁気的性能を、加熱成膜を行わずに実現することができ、産業上の利用可能性を有する。The in-plane magnetization film, the in-plane magnetization film multilayer structure, the hard bias layer, the magnetoresistive effect element, and the sputtering target according to the present invention have a coercive force Hc of 2.00 kOe or more and a remanent magnetization Mrt per unit area of A magnetic performance of 2.00 memu/cm 2 or more can be achieved without thermal film formation, and has industrial applicability.
10…面内磁化膜
12、24…磁気抵抗効果素子
14、26…ハードバイアス層
16、28…フリー磁性層
20…面内磁化膜多層構造
22…非磁性中間層
50…絶縁層
52…ピン層
54…バリア層
80…薄片化サンプル
82…黒丸(面内磁化膜に含まれる任意の点)
84…白丸(黒丸82から観察像の長手方向に左右10nmの位置の点)
86…二重白丸(面内磁化膜の組成分析のための基準点)
88…白破線(二重白丸86(基準点)から観察像の長手方向に左右50nmの直線領域DESCRIPTION OF
84... white circle (points at
86... Double white circle (reference point for composition analysis of in-plane magnetic film)
88 … white dashed line (linear region of 50 nm left and right in the longitudinal direction of the observation image from the double white circle 86 (reference point)
Claims (12)
金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、
当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Coを55at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く45at%以下含有し、
当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を10vol%以上42vol%以下含有し、
厚さが20nm以上80nm以下であることを特徴とする面内磁化膜。An in-plane magnetized film used as a hard bias layer of a magnetoresistive effect element,
containing metallic Co, metallic Pt and an oxide,
55 at % or more and less than 95 at % of metal Co and more than 5 at % and 45 at % or less of metal Pt with respect to the total metal components of the in-plane magnetization film;
containing 10 vol % or more and 42 vol % or less of the oxide with respect to the entire in-plane magnetized film;
An in-plane magnetic film having a thickness of 20 nm or more and 80 nm or less.
複数の面内磁化膜と、
非磁性中間層と、
を有してなり、
前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、
前記面内磁化膜は、
金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、
当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Coを55at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く45at%以下含有し、
当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を10vol%以上42vol%以下含有しており、
前記面内磁化膜多層構造は、保磁力が2.00kOe以上であり、かつ、単位面積当たりの残留磁化が2.00memu/cm2以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造。An in-plane magnetic film multilayer structure used as a hard bias layer of a magnetoresistive effect element,
a plurality of in-plane magnetized films;
a non-magnetic intermediate layer;
and
the non-magnetic intermediate layer is arranged between the in-plane magnetized films, and the in-plane magnetized films adjacent to each other with the non-magnetic intermediate layer interposed therebetween are ferromagnetically coupled to each other;
The in-plane magnetization film is
containing metallic Co, metallic Pt and an oxide,
55 at % or more and less than 95 at % of metal Co and more than 5 at % and 45 at % or less of metal Pt with respect to the total metal components of the in-plane magnetization film;
The in-plane magnetization film contains 10 vol % or more and 42 vol % or less of the oxide,
The in-plane magnetization film multilayer structure has a coercive force of 2.00 kOe or more and a residual magnetization per unit area of 2.00 memu/cm 2 or more.
複数の面内磁化膜と、
結晶構造が六方最密充填構造である非磁性中間層と、
を有してなり、
前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、
前記面内磁化膜は、
金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、
当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Coを55at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く45at%以下含有し、
当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を10vol%以上42vol%以下含有してなり、
前記複数の面内磁化膜の合計の厚さは20nm以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造。An in-plane magnetic film multilayer structure used as a hard bias layer of a magnetoresistive effect element,
a plurality of in-plane magnetized films;
a non-magnetic intermediate layer having a hexagonal close-packed crystal structure;
and
the non-magnetic intermediate layer is arranged between the in-plane magnetized films, and the in-plane magnetized films adjacent to each other with the non-magnetic intermediate layer interposed therebetween are ferromagnetically coupled to each other;
The in-plane magnetization film is
containing metallic Co, metallic Pt and an oxide,
55 at % or more and less than 95 at % of metal Co and more than 5 at % and 45 at % or less of metal Pt with respect to the total metal components of the in-plane magnetization film;
10 vol % or more and 42 vol % or less of the oxide with respect to the entire in-plane magnetized film,
The in-plane magnetization film multilayer structure, wherein the total thickness of the plurality of in-plane magnetization films is 20 nm or more.
金属Co、金属Ptおよび酸化物を含有してなり、
当該スパッタリングターゲットの金属成分の合計に対して、金属Coを60at%以上95at%未満含有し、金属Ptを5at%より多く40at%以下含有し、
当該スパッタリングターゲットの全体に対して前記酸化物を10vol%以上40vol%以下含有し、
形成する前記面内磁化膜は、保磁力が2.00kOe以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化が2.00memu/cm2以上であることを特徴とするスパッタリングターゲット。A sputtering target used when forming an in-plane magnetized film used as at least a part of a hard bias layer of a magnetoresistance effect element at room temperature,
containing metallic Co, metallic Pt and an oxide,
Containing 60 at% or more and less than 95 at% of metal Co and more than 5 at% and 40 at% or less of metal Pt with respect to the total metal components of the sputtering target,
Containing 10 vol% or more and 40 vol% or less of the oxide with respect to the entire sputtering target,
A sputtering target, wherein the in-plane magnetization film to be formed has a coercive force of 2.00 kOe or more and a residual magnetization of 2.00 memu/cm 2 or more per unit area.
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